CN108233975B - 射频设备和相应的方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了射频设备和相应的方法。提供了包括锁相环电路(PLL)的射频设备。自动增益控制(AGC)电路用于向PLL电路提供参考信号。

Description

射频设备和相应的方法
技术领域
本申请总体上涉及射频(RF)设备、系统和方法。
背景技术
相控阵发射/接收系统是诸如广播、雷达、空间通信、气象研究、光学、射频(RF)识别系统和触觉反馈系统等很多应用所期望的RF系统的示例。这样的系统还可以用于无线吉比特(WiGig)或其他消费者无线系统中的手势感测、通信回程和高速路由。
相控阵系统包括天线阵列，其中通过天线发射或经由天线接收的多个信号的相对相位和幅度可以被调节。在模数转换或数模转换等之前或之后，这个调节可以在系统和设备的各个部分中被执行，例如RF、中频(IF)或基带(BB)部分。通过适当的调节，阵列的有效辐射模式可以以期望的方式形成，其也被称为波束成形。由于天线阵列的每个天线发射的信号之间的相长和/或相消干涉，发生辐射模式的这种波束成形。通过可调节的相位和幅度关系，可以执行所谓的波束控制，即在发射期间也可以修改辐射模式。接收可以以类似的方式进行，从而提供对特定辐射模式敏感的接收，例如对来自特定方向的辐射。
一种类型的相控阵是一种动态相控阵。在动态相控阵中，向天线提供信号的每个信号路径包含可调节的移相器，并且这些可调节的移相器可以例如共同地用于移动辐射束。而且，信号路径可以包括可调节的放大器，其提供进一步的调节可能性。例如由于工艺变化或温度变化，这样的可调节的移相器和/或放大器可能表现出行为的变化。这会影响生成或接收的辐射模式的精度和/或可能影响波束控制的精度。通常，对于精确的波束控制，需要各种信号路径之间的精确的相位关系。
生成要发射的信号、处理要接收的信号或者针对信号路径的校准过程可以涉及使用本地振荡器(LO)信号例如用于信号合成(RFDAC)、用于上变频或下变频或者用于参考目的。生成这样的本地振荡器信号通常涉及使用锁相环(PLL)。
由于这样的相控阵中的相位关系是重要的，这样的PLL应当按照期望提供具有稳定相位的信号。在这方面，提供射频设备是一个目的。
发明内容
提供了射频设备和用于操作相控阵设备的方法。
根据实施例，提供了一种射频设备，包括：
锁相环电路，以及
自动增益控制电路，其中自动增益控制电路的输出耦合到锁相环电路的参考信号输入。
根据另一实施例，提供了一种方法，包括：
提供参考信号，
对参考信号执行自动增益控制以提供增益控制信号，
在锁相环的参考输入处向锁相环提供增益控制信号，
在射频设备中使用锁相环的输出。
以上概述仅旨在给出一些实施例的简要概述，而不应当被解释为限制。
附图说明
图1是根据实施例的射频设备的框图。
图2是根据实施例的相控阵系统的图。
图3是根据实施例的相控阵系统的图。
图4是根据实施例的锁相环的框图。
图5是示出根据实施例的方法的流程图。
图6A至图6C是根据一些实施例的相控阵系统的图。
图7是在一些实施例中可用的自动增益控制电路的图。
具体实施方式
以下，参考附图详细描述各种实施例。应当注意，这些实施例仅仅以示例的方式给出，而不应当被解释为限制。例如，虽然可以描述包括很多特征或元件的实施例，但是在其他实施例中，这些特征或元件中的一些可以被省略，以及/或者可以通过替代的特征或元件被代替。而且，除了在附图中明确示出或本文中描述的特征或元件之外，可以提供其他特征或元件，例如传统上在相控阵系统中使用的特征或元件。
除非另外指出，否则来自不同实施例的特征可以被组合以形成进一步的实施例。关于实施例中的一个实施例描述的变型或修改也可以适用于其他实施例。
在一些实施例中，相控阵设备(例如，要在相控阵系统中使用的集成芯片)可以包括锁相环。在一些实现中，锁相环可以用于生成本地振荡器信号。在实施例中，自动增益控制(AGC)电路被馈送以保持提供给锁相环的参考信号的幅度恒定。在一些实施例中，这可以改善PLL的输出信号的相位稳定性，因为参考信号的幅度变化可能影响PLL的输出信号的相位。
现在转到附图，图1是示出根据实施例的射频(RF)设备10的一些部件的框图。在一些实施例中，射频设备10可以是相控阵设备，但是不限于此，并且可以是使用例如本地振荡器(LO)信号来处理射频信号的任何设备，如RF发射器或RF接收器。
图1的实施例中的RF电路10包括用于生成本地振荡器信号LOout的锁相环(PLL)电路12。在一些实施例中，本地振荡器信号LOout例如可以用于与RF信号混频以生成中频(IF)信号或者出于校准目的用作参考信号或测试信号。在一些实施例中，信号LOout在相控阵中采用，以用于参考或信号生成的目的。PLL电路12可以以任何传统的方式来实现，例如作为整数N PLL电路。
PLL电路12设置有参考时钟信号refc。在图1的实施例中，refc由自动增益控制(AGC)电路11基于参考信号refin来被生成。信号refin可以如图所示从外部提供给RF设备10，但是也可以在内部生成，例如通过使用如石英晶体振荡器等振荡器。
自动增益控制电路11可以以本领域中用于自动增益控制电路的任何传统方式来实现，并且确保了参考信号refc的恒定幅度，即使信号refin的幅度变化。这消除或至少减小了由于信号refc的幅度变化而导致的信号LOout的相位变化，在一些实现中，这种相位变化在信号refin作为参考信号被馈送到PLL电路12而没有自动增益控制电路11的情况下将更加显著。
接下来，将参考图2和图3描述如锁相环电路12的锁相环电路可以被使用的示例环境，其中被提供至锁相环电路的参考信号由如图1的自动增益控制电路11的自动增益控制电路来被控制。
作为非限制性示例环境，图2和图3示出了相控阵系统。在图2和图3中，为了避免重复，相应或相似的元件利用相同的附图标记来被表示，并且不再被描述。此外，在系统中多次出现的元件利用相同的数字后跟字母(A，B，...)来被标出，并且通过仅数字来被共同指代(例如，对数字21的引用共同指代元件21A，21B...)。
在图2的相控阵系统中，为了发射，发射/接收(TRX)模数(AD)/数模(DA)转换器20将从数字部分29(例如，数字信号处理器(DSP))接收的待发射信号的数字表示转换成信号的模拟表示，并且将其传输到多个相控阵电路21，在图2的示例中为四个相控阵电路21A至21D。图2中的四个相控阵电路21的数目仅仅是示例，并且可以提供任何数目的相控阵电路21，例如多达几百个这样的相控阵电路。在图2的示例系统中，每个相控阵电路21控制相应的天线27。由TRX AD/DA 20提供给每个相控阵电路21的模拟发射信号在每个相控阵电路21中关于相位φ和幅度A相对于相应的IO信号而被单独地调节，使得具有单独地调节的相位和幅度的信号由天线27发射。这由图2中的φ1...φn和A1...An表示。通过相长和相消干涉，这导致波束成形。在图2的示例中，形成了波前28，其与由设置有天线27的平面所限定的方向形成角度α。但是，这仅仅是非限制性示例。当发射信号时，相控阵电路21还可以执行对用于发射的射频的上变频。
当将来自TRX AD/DA 20的模拟发射信号分配给电路21时，如图2所示，由于到电路21的线路长度不同，可能出现不同的相位偏移Δφ1，其在实施例中在调节电路21中的相位时被考虑在内。此外，当向电路21提供参考信号Fref时可能出现相位偏移Δφ2。偏移Δφ1、Δφ2可以使用本文中公开的技术来确定。
应当注意，一个或多个电路21可以被集成在单个芯片中，但是也可以被提供为单独的芯片。通常，在具有甚至几百个天线的扩大的相控阵中，使用多个相控阵芯片，每个相控阵芯片用作天线的子集(即，一个或多个天线)。
为了接收信号，经由天线27接收的信号关于幅度和相位而被调节，并且可能从RF接收频率下变频到中频。如此调节的信号被组合并且提供给TRX AD/DA 20。通过相长和相消干涉，组合导致期望的接收特性，例如方向敏感的接收特性。
此外，图2的示例中的相控阵电路21每个包括内置测试设备(BITE)，以测量和校准不同相控阵电路21之间的相位差。为此，相控阵电路21包括第一测试信号注入器23、第二测试信号注入器26、相位检测器24、25和本地振荡器22。本地振荡器22基于提供给所有本地振荡器电路22的Ref信号来生成本地振荡器信号。通过不同的路径长度，相位差
Figure GDA0002804402100000051
可以产生提供给本地振荡器电路22的信号Fref。上面讨论的部件可以由数字接口(在图2中未明确示出)控制，以控制本地振荡器信号生成、信号注入和读出相位/幅度检测器24、25。通常，为了测量相对相位，测试信号由注入器23A、26A生成并且通过各种信号路径被发送，并且相位/幅度参考由相位检测器24、25测量，相位检测器24、25例如可以被实现为正交相位检测器。该校准本身可以以任何传统方式执行，并且允许校准图2中所示的系统。
由本地振荡器电路22生成的用于这样的测量的本地振荡器信号可以用作用于相位检测器24、25的参考。另外，由本地振荡器电路22生成的本地振荡器信号也可以用于图2的电路中的其他目的，例如用于上/下变频。本地振荡器电路21每个可以包括用于生成PLL电路的锁相环电路，信号Fref用作用于PLL的参考信号。为了避免由于Fref的幅度变化引起的本地振荡器信号的相移，可以采用如图1所讨论的电路，其中在将信号Fref提供给PLL电路之前，自动增益控制将信号Fref的幅度调节到期望的恒定值，如参考图1解释。
在图2的系统中，本地振荡器电路22可以用于生成本地振荡器信号，以用于测试参考目的以及可能用于相控阵电路21中的其他目的(如上/下变频)二者。在其他实施例中，使用单独的锁相环。在图3中示出了相应的系统。为了避免重复，与已经参考图2描述的元件相对应的元件具有相同的附图标记，并且将不再详细描述。
在图3的系统中，作为用于上/下变换的中频所需要的频率不同于用于测试目的的频率。例如，在某些第五代(5G)移动电话/网络系统中可能会出现这种情况，该第五代(5G)移动电话/网络系统以大约3至6GHz的中频来分发信号，而不是用于第四代(4G)移动电话/网络系统的28GHz。在这种情况下，本地振荡器电路22仅出于测试目的而用作参考。对于上/下变频，在相控阵电路31中提供附加的PLL电路32，并且在TRX AD/DA 20中提供附加的PLL。如图3所示，附加的PLL 30、32与混频器相关联。对于所有PLL，在本地振荡器电路22中的PLL和PLL 32二者中，PLL的绝对相位的变化可能干扰用于校准目的的相位测量(特别是对于本地振荡器电路22)以及经由天线发射的信号的输出相位(例如对于PLL 32)。固定的时间不变的相位偏移可以通过校准来被补偿，但是通过改变信号Fref的幅度做出的改变不能通过这样的校准来轻易地被补偿。因此，在图3的系统中，本地振荡器电路22中的PLL和PLL 30、32二者可以被设置有自动增益控制，如参考图1所讨论，这减少了由于Fref的幅度变化引起的输出相位的时间变化。因此，本文中讨论的AGC的使用不限于PLL的具体类型或目的。
图6A至图6C示出了相控阵的另外的示例，其中在AD/DA电路或相控阵电路中使用多个PLL以例如用于上/下变频。在图6A至图6C中，数字部分60(例如，数字信号处理器或其他数字电路)向一个或多个TRX AD/DA 61提供数字信号(用于发射)或从它们接收信号(用于接收)。如图所示，TRX AD/DA 61每个包括PLL。来自一个或多个TRX AD/DA的信号被提供给具有相关联的天线64的多个相控阵电路63，其尤其使用由PLL生成的本地振荡器信号来执行上/下变频。根据TRX AD/DA 61和相控阵电路63的数目，可以使用分配网络(例如Wilkinson网络)来在TRX AD/DA 61和相控阵电路63之间分配信号。图6A至图6C的PLL可以设置有如上面或下面参考图4讨论的AGC。图6A至图6C的不同点在于所使用的TRX AD/DA的数目，说明可以采用不同的拓扑结构。
应当注意，在其他实施例中，图2、图3或图6A至图6C的系统中的仅一些PLL可以设置有自动增益控制。
图4示出了根据实施例的可用于诸如图2和图3的相控阵系统的RF设备中的PLL电路的更详细图。图4的PLL电路在自动增益控制电路40处接收参考频率信号Fref。自动增益控制电路40基于具有基本上恒定的幅度的信号Fref来输出信号。例如，AGC电路40的输出电压可以将其输出电压调节到例如由带隙电路提供的内部参考电压、或外部参考电压。在一些实施例中，参考信号Fref通过AGC电路40被调节到的幅度(电压)基于PLL电路的相位幅度特性通过以下方式来被选择：选择其中输出相位的幅度对Fref的幅度变化的灵敏度与在其他幅度区域中相比更低的电压。例如，在一些PLL实现中，与对于较高电压相比，对于较低电压，输出相位对Fref幅度变化的灵敏度可能更高，并且在这种情况下，可以选择相对较高的电压作为由自动增益控制电路40输出的幅度。AGC电路40可以以本领域已知的用于AGC电路的任何传统方式来实现，例如，通过使用诸如带隙参考或者由其导出的信号之类的参考电压、或者任何其他足够稳定的参考信号作为用于调节的参考幅度。图7中示出了这样的AGC电路的简单的非限制性示例。
在图7的示例中，针对PLL的参考信号PLLrefin(例如，图4的Fref)被提供给可变增益电路70，如用于幅度调节的可变增益放大器(VGA)或可变衰减电路，以生成幅度受控信号PLLrefout，其然后例如被提供给PLL环路的相位检测器作为参考信号。此外，PLLrefout被提供给可以包括低通滤波器的滤波器71，以生成基本上指示信号PLLrefout的幅度的经滤波的信号。经滤波的信号被提供给差分放大器72的第一输入。可以例如从带隙参考或其他稳定电压源导出的指示期望幅度的幅度参考信号被提供给差分放大器72的第二输入。差分放大器72基于经滤波的信号与信号aref之间的差来输出控制信号ctrl以控制可变增益电路70。
返回到图4，自动增益控制电路40的输出信号被提供给缓冲器41。缓冲器41的输出信号被提供给相位频率检测器46的第一输入。相位频率检测器46的输出控制电荷泵45，电荷泵45之后接着是环路滤波器(低通滤波器)44。环路滤波器44的输出信号控制压控振荡器(VCO)43。VCO 43的输出信号被用作PLL的输出(例如，图2和图3的这些系统中的本地振荡器信号)，并且还被提供给分频器42，分频器42将频率除以整数N。分频器42的输出被提供给相位频率检测器46的第二输入。元件42至46对应于整数N PLL的传统PLL实现，并且其他传统的PLL实现也可以用于经由缓冲器41接收由自动增益控制电路40提供的参考信号。
此外，提供具有自动增益控制的参考信号可以应用于模拟和数字PLL二者，并且在这方面不受限制。
图5是示出根据实施例的方法的流程图。图5的方法可以例如在参考图1至图4说明的设备和系统中实现，但是不限于此。此外，虽然图5的方法被示出和描述为一系列动作或事件，但是这些动作或事件被示出和描述的顺序不应当被解释为限制。
在图5中的50处，该方法包括提供参考信号。在51处，该方法包括对参考信号执行自动增益控制以提供具有预定幅度和/或稳定幅度的增益受控信号。在这方面的“稳定幅度”表示幅度在更长的时间尺度上基本上稳定，即，至少在取决于实现的要求的预定时间上，例如在执行该方法的系统的校准之间。还应当注意，取决于应用，幅度的绝对值不需要是精确的值，但是幅度只需要足够稳定以防止在系统已经校准之后的漂移和变化。在52处，该方法包括将增益受控信号作为参考信号提供给锁相环电路。在53处，然后将锁相环的输出信号用于射频(RF)电路中，例如用于相控阵电路或设备中，以用于测试目的(如相位校准)，或用于混频器中的变频目的。
关于图1至图4的设备和系统描述的细节和变型也可以适用于图5的方法。
以下实施例是示例实施例。
示例1.一种射频设备(10)，包括：
锁相环电路(12)，以及
自动增益控制电路(11；40)，其中所述自动增益控制电路(11；40)的输出耦合到所述锁相环电路(12)的参考信号输入。
示例2.示例1的射频设备(10)，其中所述锁相环电路(12)包括整数N锁相环电路。
示例3.示例1的射频设备(10)，其中所述锁相环电路(12)被配置为生成本地振荡器信号。
示例4.示例1的射频设备(10)，其中所述设备还包括测试电路(22、23、24、25、26)，其中所述测试电路耦合到所述锁相环电路(12)的输出。
示例5.示例4的射频设备(10)，其中所述测试电路(22、23、24、25、26)包括被配置为使用所述锁相环电路的输出作为参考的至少一个相位检测器(24，25)。
示例6.示例1的射频设备(10)，其中所述自动增益控制电路(11；40)被配置为提供所述自动增益控制电路(11；40)的输出信号的幅度的随着时间的至少预定稳定性。
示例7.示例1的射频设备(10)，还包括与所述锁相环电路(12)的输出耦合的混频器。
示例8.示例1的射频设备(10)，其中所述射频设备包括相控阵设备。
示例9.示例8的射频设备(10)，其中所述射频设备被配置为使用所述锁相环电路(12)的输出信号用于相位校准。
示例10.一种相控阵系统，包括多个示例8的射频设备(10)，还包括被配置为向所述设备中的每个设备的所述自动增益控制电路提供参考信号的参考信号线。
示例11.一种方法，包括：
提供参考信号，
对所述参考信号执行自动增益控制以提供增益受控信号，
在锁相环的参考输入处向所述锁相环提供所述增益受控信号，以及
在射频设备中使用所述锁相环的输出。
示例12.示例11的方法，其中使用所述输出包括使用所述输出用于相控阵系统中的校准。
示例13.示例11的方法，还包括使用所述输出用于上变频或下变频中的至少一项。
示例14.示例12的方法，其中执行自动增益控制包括向所述增益受控信号的幅度至少提供随着时间的预定稳定性。
上述实施例不应当被解释为以任何方式限制本申请的范围。

Claims (14)

1.一种射频设备(10)，包括：
锁相环电路(12)，以及
自动增益控制电路(11；40)，
其中所述自动增益控制电路(11；40)的输出耦合到所述锁相环电路(12)的参考信号输入，以及
所述自动增益控制电路被配置为将参考信号的幅度调节为基本上恒定的值，并且还被配置为将经调节的所述参考信号提供给所述自动增益控制电路(11；40)的所述输出；
所述参考信号被所述自动增益控制电路所调节到的所述幅度是基于所述锁相环电路的相位幅度特性、通过选择一个电压而被选择的，在所选择的电压处，输出相位对所述参考信号的幅度变化的灵敏度低于其他电压处输出相位对所述参考信号的幅度变化的灵敏度。
2.根据权利要求1所述的射频设备(10)，其中所述锁相环电路(12)包括整数N锁相环电路。
3.根据权利要求1或2所述的射频设备(10)，其中所述锁相环电路(12)被配置为生成本地振荡器信号。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的射频设备(10)，其中所述射频设备还包括测试电路(22、23、24、25、26)，其中所述测试电路耦合到所述锁相环电路(12)的输出。
5.根据权利要求4所述的射频设备(10)，其中所述测试电路(22、23、24、25、26)包括被配置为使用所述锁相环电路的输出作为参考的至少一个相位检测器(24、25)。
6.根据权利要求1至2、5中任一项所述的射频设备(10)，其中所述自动增益控制电路(11；40)被配置为至少提供所述自动增益控制电路(11；40)的输出信号的幅度相对于时间的预定稳定性。
7.根据权利要求1所述的射频设备(10)，还包括与所述锁相环电路(12)的输出耦合的混频器。
8.根据权利要求1至2、5、7中任一项所述的射频设备(10)，其中所述射频设备包括相控阵设备。
9.根据权利要求8所述的射频设备(10)，其中所述射频设备被配置为使用所述锁相环(12)的输出信号用于相位校准。
10.一种相控阵系统，包括多个根据权利要求8或9所述的射频设备(10)，还包括被配置为向所述射频设备中的每个射频设备的所述自动增益控制电路提供参考信号的参考信号线。
11.一种用于操作相控阵设备的方法，包括：
提供参考信号，
对所述参考信号执行自动增益控制以提供增益受控信号，其中所述参考信号的幅度被调节为基本上恒定的值，所述参考信号被所述自动增益控制所调节到的所述幅度是基于锁相环电路的相位幅度特性、通过选择一个电压而被选择的，在所选择的电压处，输出相位对所述参考信号的幅度变化的灵敏度低于其他电压处输出相位对所述参考信号的幅度变化的灵敏度，
在锁相环的参考信号输入处向所述锁相环提供所述增益受控信号，以及
在射频设备中使用所述锁相环的输出。
12.根据权利要求11所述的方法，其中使用所述输出包括使用所述输出用于相控阵系统中的相位校准。
13.根据权利要求11或12所述的方法，还包括使用所述输出用于上变频或下变频中的至少一项。
14.根据权利要求13中任一项所述的方法，其中执行自动增益控制包括向所述增益受控信号的幅度至少提供相对于时间的预定稳定性。
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