CN106130576B

CN106130576B - 具有功率传感器校准的rf前端

Info

Publication number: CN106130576B
Application number: CN201610288543.7A
Authority: CN
Inventors: K.多米尼齐; O.弗兰克; H.耶格; H.克纳普; 郦豪; F.施塔尔策; R.施图尔贝格; J.武斯托恩
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-05-04
Filing date: 2016-05-04
Publication date: 2019-12-10
Anticipated expiration: 2036-05-04
Also published as: CN106130576A; US20160329972A1; US20190068295A1; DE102015106931A1; US10574367B2; US10128962B2

Abstract

本发明涉及具有功率传感器校准的RF前端。本发明的一个示例性实施例涉及包括针对RF信号的至少一个RF信号路径和至少一个功率传感器的电路，所述至少一个功率传感器耦合到RF信号路径并且配置成生成表示在电路的正常操作期间的RF信号的功率的传感器信号。电路还包括用于在电路的校准操作期间接收RF测试信号的电路节点。电路节点耦合到至少一个功率传感器，使得除了RF信号以外或可替换于RF信号，至少一个功率传感器接收RF测试信号并且生成如表示RF测试信号的功率的传感器信号。

Description

具有功率传感器校准的RF前端

技术领域

本发明的实施例涉及RF接收器和发射器的领域。特别涉及RF前端，该RF前端可以被用在例如集成雷达收发器中。

背景技术

射频（RF）发射器和接收器可以在众多应用中被找到，特别是在无线通信和雷达传感器的领域中被找到。在汽车行业中，存在对于使用在所谓的“自适应巡航控制”（ACC）或“雷达巡航控制器”系统中的雷达传感器的日益增加的需求。这样的系统可以用于自动调节机动车的速度，以便维持与前方的其它机动车（和与其它物体以及与行人）的安全距离。

现代雷达系统利用高度集成的RF电路，其可以合并雷达收发器的RF前端的全部核心功能在一个单个封装（单个芯片雷达收发器）中，该单个封装通常称为MMIC（单片微波集成电路）。这样的RF前端通常尤其包括电压控制振荡器（VCO）、功率放大器（PA）、定向耦合器、混频器和模拟数字转换器（ADC），以及用于控制和监视RF前端的相应控制电路。使用在机动车中的雷达应用经受关于道路交通安全的各种标准，例如题为“道路车辆——功能安全（Road vehicles – Functional safety）”的功能安全标准ISO 26262。为了确保雷达传感器的功能安全和/或遵守法定规则，RF前端应当以定义明确的操作参数进行操作。

例如，RF前端应当提供具有定义的输出功率的RF输出信号（例如要供给到一个或多个天线的发射信号），以便实现所期望的传感器性能。另外，在RF前端的操作期间不应当超过最大输出功率，以便遵守法定规则。而且，发射信号的输出功率还应当不低于最小输出功率，以便确保雷达传感器的可靠操作。为了遵守功能安全标准，MMIC应当具有例如当RF输出功率不在所指定的限制内时检测雷达传感器的故障的能力。因此，存在测量RF前端中的RF信号路径中的功率的需要。然而，可用的功率感测电路（功率传感器）具有差的精度并且因而当前在RF前端的设计中和在生产测试期间考虑相当宽的保护频带，以便确保不离开所期望的操作范围。宽的保护频带导致对应高数目的有缺陷的产品和相应的成品率损失。因此，存在改进集成RF前端中的功率感测的精度的需要。

发明内容

本发明的一个示例性实施例涉及包括针对RF信号的至少一个RF信号路径和至少一个功率传感器的电路，所述至少一个功率传感器耦合到RF信号路径并且配置成生成表示在电路的正常操作期间的RF信号的功率的传感器信号。电路还包括用于在电路的校准操作期间接收RF测试信号的电路节点。电路节点耦合到至少一个功率传感器，使得除了RF信号以外或可替换于RF信号，至少一个功率传感器接收RF测试信号并且生成如表示RF测试信号的功率的传感器信号。

另一示例性实施例涉及包括MMIC和自动测试装置（ATE）的系统。MMIC包括针对RF信号的至少一个RF信号路径、耦合到RF信号路径的至少一个功率传感器、以及用于接收RF测试信号的电路节点。功率传感器配置成接收测试信号并且提供表示测试信号的功率的传感器信号。ATE配置成生成RF测试信号并且将RF测试信号馈送到电路节点中。

而且，另外的示例性实施例涉及用于校准包括在MMIC中的一个或多个功率传感器的方法。方法包括生成具有所期望的功率的RF测试信号。RF测试信号被馈送至电路节点，该电路节点耦合到包括在MMIC中的至少一个功率传感器。因此，功率传感器提供表示RF测试信号的功率的相应传感器信号。而且，方法包括基于所期望的功率和相应传感器信号计算至少一个校准参数，以及将（一个或多个）校准参数存储在存储器中。

附图说明

可以参照以下描述和附图来更好地理解本发明。图中的部件未必成比例，而是将重点放在说明本发明的原理上。而且，在图中，相同的参考标号指定对应的部分。在附图中，

图1示出图示了RF收发器芯片的接收路径的基本结构的框图；

图2是图示了单基地雷达收发器芯片中的接收/发射路径的框图；

图3图示了雷达收发器的RF前端中的功率传感器的使用；

图4示出例如集成在图3的RF前端中的功率传感器的校准的框图；以及

图5示出图示了用于校准使用在集成于MMIC中的RF前端中的功率传感器的示例性方法的流程图。

具体实施方式

以下在雷达收发器（雷达传感器）的上下文中讨论本发明的实施例。然而，应当指出的是，本发明还可以被应用在与雷达不同的应用诸如例如RF通信设备的RF收发器中。

所谓的“单个芯片雷达”可以包括在一个芯片中提供用于距离和/或速度测量所需要的核心功能的电路（单片微波集成电路，MMIC）。因此，芯片可以尤其包括RF振荡器、放大器、混频器、滤波器、模拟数字转换器和数字信号处理器。图1图示了如例如使用在雷达距离测量设备（雷达传感器）中的RF接收器（或RF收发器的接收路径）。相应地，RF收发器/接收器1包括被供给有RF输入信号S_RX和RF振荡器信号S_LO的混频器10，混频器10用于将RF输入信号S_RX下变频为基带或中频（IF）带。RF输入信号S_RX可以由天线（在图1中未示出）提供并且可以在被供给到混频器10之前被预放大（参见RF放大器12）。在本示例中，RF振荡器信号S_LO由本机振荡器（LO）11生成，本机振荡器（LO）11可以包括耦合在锁相环路（PLL）中的电压控制振荡器（V_CO）。然而，RF振荡器信号S_LO可以取决于实际应用而由其它电路提供。在雷达应用中，本机振荡器信号S_LO通常被频率调制以实施所谓的调频连续波（FMCW）雷达传感器。当使用在雷达距离测量设备中时，RF振荡器信号S_LO可以在近似24 GHz和77 GHz之间的范围中（在本示例中为77 GHz）。然而，更高或更低的频率也可以是适用的。

如所提到的，混频器10将RF输入信号S_RX’（经放大的天线信号）下变频为基带（或IF带）。相应基带信号（混频器输出信号）由S_BB标注。基带信号S_BB然后经受模拟滤波（滤波器13）以抑制所不期望的边带或镜像频率。滤波器13可以是低通滤波器或带通滤波器。经滤波的基带信号（滤波器输出信号）由S_BB’标注。利用混频器将RF输入信号下变频为基带或IF带的接收器同样地已知为外差接收器并且因而不更加详细地进行进一步讨论。经滤波的基带信号S_BB’然后被采样并且转换成数字信号S_RXDIG（模拟数字转换器14），然后在数字域中使用数字信号处理（例如通过数字信号处理器15实现）对数字信号S_RXDIG进行进一步处理。在下变频为IF带的情况下，IF信号还可以被数字化以用于IF信号的数字解调。可以使用例如运行适当软件指令的数字信号处理器来执行数字信号处理。

图1图示了RF接收器或收发器的接收路径。在所谓的双基地或伪单基地雷达系统中，接收器可以与发射器分离，因为接收器和发射器使用分离的天线。图2图示了RF收发器（组合的接收器和发射器），RF收发器可以被用在其中相同的天线用于发射和接收RF信号的单基地雷达系统中。图2的收发器包括定向耦合器22，其耦合在混频器10与天线20之间并且配置成引导由天线20接收的RF信号S_RX到混频器10（接收路径）。而且，定向耦合器22配置成引导RF振荡器信号S_LO（经功率放大器23放大）到天线20，天线20发射相应电磁雷达信号。除定向耦合器22之外，接收路径（放大器12、混频器10、滤波器13、模拟数字转换器14、信号处理器15）与在图1中的相同并且因而在此不重复相应描述。

定向耦合器22可以被实施为由带状线形成的环形波导耦合器。然而，可以使用其它类型的定向耦合器（例如环形器）。特别地，当使用环形波导耦合器时，耦合器的一个端口由终端阻抗21终止。定向耦合器22可以被实施在与收发器的其它电路部件相同的芯片封装中，以提供单个芯片解决方案。必须要指出的是，图1和2的框图仅表示RF外差收发器的主要设置。实际实施方式当然更复杂得多。然而，图1和2的图示足以用于本讨论和本文所描述的实施例的功能的理解。

在许多应用中，可能要求或合期望的是测量RF收发器的RF前端的各种部分中（例如在接收路径中、在发射路径中、在混频器参考输入处等）的RF功率。如以上提到的，在用于确保遵守产品规范和法定规则（质量控制）的设备的生产测试期间以及在设备的规则操作期间可能需要关于RF功率的信息。为了使得能够实现可测试性，RF功率传感器被提供在RF收发器芯片的各种部分中。即，功率传感器被包括在RF电路设计中，作为“可测试性设计”（DFT）特征。如所提到的，功率传感器可以不仅用于生产测试，而且用于允许RF前端的操作期间的功率监视。为此目的，从一个或多个功率传感器获取的信息可以在MMIC的专用终端（例如输出管脚）处被提供为数字或模拟信号。

例如，二极管可以用作RF功率传感器。二极管对于该目的是有用的，因为它们可以容易地被包括在MMIC中，MMIC包括RF前端。作为功率传感器（还称为功率检测器）的二极管同样地是已知的并且因而在此不更加详细地进行进一步讨论。一般地，二极管用于对入射RF信号进行整流，其中二极管操作在其平方律区中以生成与RF信号的功率近似成比例的信号。为了将二极管RF功率传感器的动态范围扩展超出平方律区，可以使用线性校正电路或多个二极管堆。功率传感器可以直接连接到RF信号路径，在RF信号路径中要测量RF功率。可替换地，定向耦合器或功率分配器可以用于将功率传感器耦合到RF信号路径。可以使用带状线容易地实施合适的定向耦合器，该带状线可以形成在MMIC的金属化层中。

可以与形成RF收发器的RF前端的电路一起集成的简单二极管传感器具有有限的绝对精度。为了改进功率感测的精度，使用测试信号来校准功率传感器，测试信号具有定义的功率。测试信号可以通过信号发生器电路片上生成，信号发生器电路同样集成在与RF前端相同的芯片中。然而，也可以使用的外部测试信号发生器。在该情况下，可以例如通过使用针形探头供给测试信号到芯片的测试管脚或者测试焊盘（例如针形接触点）。测试信号可以具有与RF信号相同或类似的频率（例如77 GHz或24 GHz），在正常操作期间要监视RF信号的功率。然而，情况不一定是这样。测试信号可以具有低于在操作期间的RF信号的频率的频率。

图3是图示了图2的雷达收发器的RF前端的框图，其中已经省略数字后处理部分。除了图3的示例之外，RF前端包括分别使用定向耦合器31和35耦合到RF信号路径的功率传感器32和36。除了附加功率传感器和相应耦合器之外，图3的电路等同于图2的电路，并且以上进一步参照相应描述。取决于功率传感器32和36的实际实施方式，可以省略耦合器31和35并且耦合器31和35因而是可选的。在该情况下，功率传感器在没有介入耦合器的情况下直接连接到相应RF信号路径。

由功率传感器32和36提供的输出信号的水平表示相应RF信号路径中的当前RF功率水平。在本示例中，输出信号P₁表示混频器10的参考输入处的振荡器信号的RF功率。类似地，输出信号P₂表示混频器10的RF输入处入射的经放大的天线信号的RF功率。在RF前端的其它部分中可以包括附加功率传感器。在大多数应用中，功率传感器32,36的输出信号P₁，P₂将是电压信号，其可以被数字化以用于在数字域中的进一步处理。

图4是图示了使用具有定义的功率水平的RF测试信号S_TEST的功率传感器（例如如图3中图示的功率传感器32）的校准的框图。图4图示了定向耦合器31，耦合器31将功率传感器32与RF信号路径耦合，在RF信号路径中要测量RF功率。如以上参照图3提到的，耦合器31可以取决于实际实施方式是可选的。出于传感器校准的目的，功率传感器32与芯片焊盘40耦合，芯片焊盘40配置成在生产测试期间与针形探头41接触。一般地，芯片焊盘40是接收测试信号S_TEST的电路节点。针形探头41用于经由芯片焊盘42将RF测试信号S_TEST馈送到功率传感器32中，其中测试信号S_TEST具有RF信号功率，其可以被设置成一个或多个定义的水平。可以利用外部测试装置60生成测试信号。可替换地，可以使用片上信号发生器（在该情况下不需要针形探头41）。在校准期间，功率传感器32测量RF测试信号S_TEST的功率并且提供表示信号S_TEST的即时功率水平的相应传感器信号P₁。可以使用模拟数字转换器（ADC）45数字化传感器输出信号P₁，并且可以将结果得到的数字传感器信号P_1,DIG提供到控制器单元50（其还可以包括数字信号处理器15，参见图1）。

控制器单元50可以配置成传送数字传感器信号P_1,DIG回到测试装置，使得可以取决于测试信号S_TEST和相应传感器输出信号P_1,DIG的已知功率水平而计算校准参数。校准参数可以被传送回到控制器单元50并且被存储在存储器51中。在雷达传感器的正常操作期间，所存储的校准参数可以由控制器单元50使用来校正对应传感器输出信号P₁，P₂，并且因而改进功率测量结果的精度。

如果关于测试信号S_TEST的功率水平的信息在控制器单元50中可用，则校准参数可以由控制器单元50计算而不是在测试装置60中计算。而且，如果片上生成测试信号S_TEST，则不需要外部测试装置并且可以在RF收发器的寿命期间以特定时间间隔或者定期重复校准。相应地，可以通过定期更新校准参数来补偿功率传感器的传感器特性的漂移。

图5示出图示了可以使用图4的系统实现的一个示例性校准方法的流程图。相应地，使用自动测试装置（例如图4中的测试装置60）来校准包括在MMIC中的功率传感器（例如图4中的功率传感器32）。在本示例中，生成具有所期望的功率的RF测试信号（步骤71）。将RF测试信号馈送至耦合到包括在MMIC中的至少一个功率传感器的电路节点（步骤73）。作为结果，功率传感器提供表示RF测试信号的功率的相应传感器信号（参见图4，传感器信号P₁），并且可以基于所期望的功率和相应传感器信号来计算至少一个校准参数（步骤73）。（一个或多个）校准参数然后可以被存储在存储器中（步骤74，参见图4，存储器51）。

虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是对本领域普通技术人员将明显的是，在本发明的范围内，多得多的实施例和实施方式是可能的。相应地，除了鉴于随附权利要求及其等同物之外，本发明不受限制。关于由以上描述的部件或结构（组件、设备、电路、系统等）执行的各种功能，用于描述这样的部件的术语（包括对“构件”的引用）意图对应于（除非以其它方式指示）执行所描述的部件的指定功能的任何部件或结构（即，其在功能上等同），即使在结构上不等同于执行本文中所说明的本发明的示例性实施方式中的功能的所公开的结构。

Claims

1.一种用于校准至少一个功率传感器的电路，包括：

针对射频RF信号的至少一个RF信号路径；

至少一个功率传感器，耦合到RF信号路径并且配置成生成表示在电路的正常操作期间的RF信号的功率水平的传感器信号；

用于在电路的校准操作期间接收RF测试信号的电路节点，所述电路节点耦合到至少一个功率传感器，使得至少一个功率传感器经由电路节点和针形探头还接收RF测试信号，并且生成表示RF测试信号的功率水平的传感器信号；以及

控制器单元，配置成接收所述表示RF测试信号的功率水平的传感器信号并且基于RF测试信号的已知功率水平和所述表示RF测试信号的功率水平的传感器信号计算至少一个校准参数，并且其中所述控制器单元被配置成传送所述至少一个校准参数。

2.根据权利要求1所述的电路，还包括：

用于存储所述至少一个校准参数的存储器。

3.根据权利要求2所述的电路，其中：

所述控制器单元耦合到存储器，并且配置成在正常操作期间基于所述至少一个校准参数校正传感器信号。

4.根据权利要求1所述的电路，其中：

所述控制器单元配置成与外部测试装置通信。

5.根据权利要求1所述的电路，还包括：

将至少一个功率传感器与一个或多个相应信号路径连接的至少一个定向耦合器或功率分配器。

6.一种用于校准包括在单片微波集成电路MMIC中的至少一个功率传感器的系统，包括：

单片微波集成电路MMIC，包括针对射频RF信号的至少一个RF信号路径、耦合到RF信号路径的至少一个功率传感器、以及用于接收RF测试信号的电路节点，其中所述至少一个功率传感器配置成经由电路节点和针形探头接收RF测试信号，并且其中所述至少一个功率传感器配置成提供表示RF测试信号的功率水平的传感器信号；以及

自动测试装置ATE，配置成生成RF测试信号并且将RF测试信号馈送到电路节点中，其中ATE配置成接收传感器信号并且基于RF测试信号的已知功率水平和传感器信号计算至少一个校准参数，并且其中ATE配置成将所述至少一个校准参数传送至MMIC。

7.根据权利要求6所述的系统，

其中MMIC还包括配置成与ATE通信的控制器单元。

8.根据权利要求6所述的系统，

其中ATE配置成接收RF测试信号的功率水平，并且基于RF测试信号和传感器信号的功率水平计算所述至少一个校准参数。

9.根据权利要求6所述的系统，还包括：

用于存储所述至少一个校准参数的存储器。

10.根据权利要求6所述的系统，其中利用所述至少一个校准参数来校正传感器信号。

11.一种用于校准包括在单片微波集成电路MMIC中的一个或多个功率传感器的方法；所述方法包括：

生成具有所期望的功率水平的射频RF测试信号；

将RF测试信号经由电路节点和针形探头馈送至包括在MMIC中的一个或多个功率传感器，所述一个或多个功率传感器中的功率传感器提供表示RF测试信号的功率水平的相应传感器信号；

由自动测试装置ATE接收相应传感器信号；

基于RF测试信号的所期望的功率水平和相应传感器信号由ATE计算至少一个校准参数；

由ATE将所述至少一个校准参数传送给MMIC；以及

将所述至少一个校准参数存储在存储器中。

12.根据权利要求11所述的方法，

其中RF测试信号由与MMIC分离的ATE生成。

13.根据权利要求12所述的方法，其中将RF测试信号馈送至一个或多个功率传感器包括：

将针形探头连接到MMIC的芯片焊盘并且经由针形探头和芯片焊盘将RF测试信号馈送至耦合到一个或多个功率传感器的电路节点。

14.根据权利要求12所述的方法，

其中RF测试信号由包括在MMIC中的片上信号发生器生成。

15.根据权利要求11所述的方法，

其中存储器包括在MMIC中。

16.根据权利要求11所述的方法，其中利用至少一个校准参数来校正相应传感器信号。