CN110927674A

CN110927674A - 一种具有二维扫描功能的毫米波雷达芯片

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Publication number: CN110927674A
Application number: CN201911119688.4A
Authority: CN
Inventors: 张明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2020-03-27

Abstract

本发明公开了一种具有二维扫描功能的毫米波雷达芯片，用于若干毫米波雷达芯片级联场景；毫米波雷达芯片包括基底，毫米波发射和接收端口RF1～RF8，4个移相器单元A、B、C、D，4个毫米波组合开关单元S1～S4，4个毫米波开关单元S5～S8，功分器级联适配接口单元E、F，毫米波压控振荡器和倍频单元V，毫米波混频器单元M，混频后的模拟中频信号接口单元I，串行外设接口单元SPI；接收外部控制信号来调控内部毫米波压控振荡器单元Vt；雷达芯片电源接口单元PWR。本发明单雷达芯片具有水平和垂直维的扫描能力，结构形式简单，便于小型化；本发明级联后的雷达系统，水平和处置2个维度将有更大的空间目标识别能力，形成高清成像效果。

Description

一种具有二维扫描功能的毫米波雷达芯片

技术领域

本发明属于雷达芯片技术领域，涉及一种毫米波雷达芯片，具体涉及一种具有二维扫描功能的毫米波雷达芯片。

背景技术

毫米波雷达是工作在毫米波波段(millimeter wave)的雷达。通常毫米波是指频率范围30～300GHz(对应波长为1～10mm)的电磁波。毫米波的波长介于厘米波和光波之间，因此毫米波兼有微波制导和光电制导的优点。

汽车中使用的毫米波雷达是指利用波长为毫米级(目前主要使用24GHz、77GHz或79GHz频段)的雷达，其可以快速准确获取汽车和无人机周围目标信息，如相对距离、相对速度、角度、是否有物体、运动方向等，并根据探测的信息信息对目标进行追踪、识别分类，并作出相应警示或决策。毫米波雷达具有体积小、质量轻和空间分辨率高，具有全天候(大雨天除外)、全天时的特点。

毫米波雷达主要包括毫米波天线、毫米波收发前端、基带处理模块和报警模块。其中，毫米波收发前端采用单片毫米波集成电路(MMIC)技术，可以大大减小收发组件的体积，并适合于大批量生产，其具备电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大等特点。

当前，人们利用大规模多输入多输出(MIMO)天线阵列实现波束成形、扫描、追踪、锁定来有效对抗毫米波移动信道的路径损耗。并且，未来汽车雷达应用将朝着成像发展，多前端芯片的级联是主流。

通常情况下，雷达系统的探测距离受限于发射功率的大小，探测角度的精度与分辨率受限于接收通道的数量。目前，单一芯片中无法设置大量的发射接收通道，并且，当单一芯片中的接收通道数量增多时，需要提高后端信号处理能力并相应地增大存储单元的容量，这都为提高探测角度的精度和分辨率带来了困难。

为解决上述困难，通常的做法是在雷达系统中设置级联的多个射频收发芯片(或射频收发模块)，并将各个射频收发芯片产生的中频信号提供给后端的微处理器(MicroController Unit，MCU)进行信号处理。

但是，现有的毫米波雷达芯片方案只提供水平或者垂直方向这种单方向的分离目标能力，没法应对既要从水平维分离目标，还要从垂直维测出目标高度的场景，如果要解决测目标高度的问题则需要增加独立的雷达芯片，既增加了系统成本也增加了系统设计复杂度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼有水平和垂直方向分辨能力的雷达前端芯片应用于级联雷达系统装置上，简化电路设计的同时增加雷达测高的能力。

本发明所采用的技术方案是：一种具有二维扫描功能的毫米波雷达芯片，其特征在于：包括基底，毫米波发射和接收端口RF1～RF8，4个移相器单元A、B、C、D，4个毫米波组合开关单元S1～S4，4个毫米波开关单元S5～S8，功分器级联适配接口单元E、F，毫米波压控振荡器和倍频单元V，毫米波混频器单元M，混频后的模拟中频信号接口单元I，串行外设接口单元SPI；接收外部控制信号来调控内部毫米波压控振荡器单元Vt；雷达芯片电源接口单元PWR；

其中RF1，RF3，RF5，RF7外接水平方向图窄，而垂直方向图宽的天线；RF2，RF4，RF6，RF8外接水平方向图宽，而垂直方向图窄的天线，根据系统对二维探测区域要求，分别在水平和垂直2个维度对天线进行布设，从而同时形成具有水平和垂直2个维度的探测能力。

所述S1～S4均由四个毫米波开关单元K1、K2、K3、K4组成；其中K1分别与K3、K4电连接，K1分别与K3、K4电连接；S1中的K1、K2分别与A电连接，K3与RF1电连接，K4与RF2电连接；S2中的K1、K2分别与B电连接，K3与RF3电连接，K4与RF4电连接；S3中的K1、K2分别与C电连接，K3与RF5电连接，K4与RF6电连接；S4中的K1、K2分别与D电连接，K3与RF7电连接，K4与RF8电连接；

所述E、S6、A依次电连接，E、S6、B依次电连接，E、S6、C依次电连接，E、S6、D依次电连接，E、S6、S5、F依次电连接；

所述4个移相器单元A、B、C、D，先建立相移表，通过SPI配置到对应的寄存器，工作时分时遍历相移表；

所述Vt、V、S8、A依次电连接，Vt、V、S8、B依次电连接，Vt、V、S8、C依次电连接，Vt、V、S8、D依次电连接，Vt、V、M、S8、A依次电连接，Vt、V、M、S8、B依次电连接，Vt、V、M、S8、C依次电连接，Vt、V、M、S8、D依次电连接，Vt、V、M、S7、I依次电连接；

所述RF1～RF8、S1～S8、A、B、C、D、E、F、V、M、I、SPI均布设在所述基底上，均由基底上设置的对应寄存器一一控制。

本发明的有益效果为：

实现如下效果：

(1)本发明单雷达芯片具有水平和垂直维的扫描能力，结构形式简单，便于小型化；

(2)采用本方案级联后的雷达系统，水平和垂直2个维度将有更大的空间目标识别能力，形成高清成像效果。

(3)电路结构简单，只需要将锁相环产生的发射波形送到级联系统中的主模式芯片，且将主模式芯片输出的中频输送到后级ADC采样，从模式芯片不用连接，这样后级MCU信号处理和存储负担轻，利于以较低成本形成好的成像效果。

(4)对于室内场景，传统的MIMO雷达由于同时发射和接收，受到的多径干扰强，而本发明分时扫描相移表，因此不存在多天线同时收到多径干扰的问题。对于室内场景具有明显的优势。

附图说明

图1本发明实施例的结构图；

图2为本发明实施例的毫米波雷达芯片结构示意图；

图3为本发明实施例的毫米波雷达芯片变化例结构示意图；

图4为本发明实施例的级联芯片变化例结构示意图；

图5为本发明实施例的2维扫描的毫米波雷达应用示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明提供的一种具有二维扫描功能的毫米波雷达芯片，用于若干毫米波雷达芯片级联场景。

请见图2，本实施例的提供的毫米波雷达芯片包括基底，毫米波发射和接收端口RF1～RF8，4个移相器单元A、B、C、D，4个毫米波组合开关单元S1～S4，4个毫米波开关单元S5～S8，功分器级联适配接口单元E、F，毫米波压控振荡器和倍频单元V，毫米波混频器单元M，混频后的模拟中频信号接口单元I，串行外设接口单元SPI；接收外部控制信号来调控内部毫米波压控振荡器单元Vt；

S1～S4均由四个毫米波开关单元K1、K2、K3、K4组成；其中K1分别与K3、K4电连接，K1分别与K3、K4电连接；S1中的K1、K2分别与A电连接，K3与RF1电连接，K4与RF2电连接；S2中的K1、K2分别与B电连接，K3与RF3电连接，K4与RF4电连接；S3中的K1、K2分别与C电连接，K3与RF5电连接，K4与RF6电连接；S4中的K1、K2分别与D电连接，K3与RF7电连接，K4与RF8电连接；

E、S6、A依次电连接，E、S6、B依次电连接，E、S6、C依次电连接，E、S6、D依次电连接，E、S6、S5、F依次电连接；

4个移相器单元A、B、C、D，先建立相移表，通过SPI配置到对应的寄存器，工作时分时遍历相移表；

Vt、V、S8、A依次电连接，Vt、V、S8、B依次电连接，Vt、V、S8、C依次电连接，Vt、V、S8、D依次电连接，Vt、V、M、S8、A依次电连接，Vt、V、M、S8、B依次电连接，Vt、V、M、S8、C依次电连接，Vt、V、M、S8、D依次电连接，Vt、V、M、S7、I依次电连接；

RF1～RF8、S1～S8、A、B、C、D、E、F、V、M、I、SPI均布设在基底上，均由基底上设置的对应寄存器一一控制；

相邻的级联芯片分别从功分器级联适配接口单元E和F接入，次相邻级联芯片则分别和相邻芯片的适配接口单元E和F接入，依次类推；通过SPI配置当前芯片作为主芯片，其他作为从芯片。

本实施例的单元E和单元F为功分器级联适配接口，单元V为毫米波压控振荡器(VCO)和倍频单元，单元M为毫米波混频器，单元I为混频后的模拟中频信号接口，将模拟中频信号馈送给后级ADC(模数转换器)处理；单元SPI为串行外设接口(Serial PeripheralInterface)，用来和雷达信号处理器通信，以配置毫米波雷达前端芯片，还有一个Vt，接收外部控制信号来调控内部毫米波压控振荡器。单元I也可以将模拟中频信号转换成数字信号接口和后级处理器连接。

本实施例的工作流程为：单芯片模式工作时毫米波开关S5和S6常开，S7常闭，外部锁相环产生调制波形通过Vt管脚控制内部毫米波压控振荡器并倍频到毫米波频段，发射前通过SPI配置移相各单元A，B，C，D时，毫米波开关S8切换到移相器结点，将倍频毫米波信号传输到移相单元A，B，C，D，此时开关S1，S2，S3，S4切换到输出通道，将移相后的信号通过RF1～RF8端口发射出去。当完成一帧信号发射后，开关S1，S2，S3，S4切换到输入通道，开关S8切换到换频器单元，从RF1～RF8端口接收到的信号，被送到混频器混频输出模拟中频信号，通过S7输送到模拟中频信号接口单元I，然后给后级ADC采样。

多芯片级联模式工作时雷达芯片配置为主从模式，处于主模式的毫米波芯片的开关S5，S6，S7常闭，处于从模式的毫米波芯片的开关S7常开。相邻的级联芯片可以分别从功分器级联适配接口单元E和F接入，次相邻级联芯片则分别和相邻芯片的适配接口单元E和F接入，依次类推。此时通过SPI配置当前芯片作为主芯片，其他作为从芯片。发射时，外部锁相环产生调制波形通过主模式芯片的Vt管脚控制内部毫米波压控振荡器并倍频到毫米波频段，然后传输到毫米波压控振荡器(VCO)和倍频组合单元V，主模式芯片的开关S8切换到移相器结点，此时从模式毫米波芯片的开关S5，S6处于常闭状态，从模式毫米波芯片的开关S8处于断开状态。发射时，毫米波信号经过主从模式毫米波芯片级联的功分器分发到各移相单元，然后通过主从芯片各自的毫米波开关S1，S2，S3，S4切换到输出通道发射，接收时主从模式介绍到的信号均通过主模式的开关S8切换到混频器单元M，经过闭合的开关S7输送到模拟中频信号接口单元I，然后给后级ADC采样。这样，整个级联系统通过一个模拟中频接口和后级处理器通信。

请见图1，对于N个雷达前端级联的场景，一个为master，余下N-1为slave，多芯片级联模式工作时雷达芯片配置为主从模式，处于主模式的毫米波芯片的开关S5，S6，S7常闭，处于从模式的毫米波芯片的开关S7常开。相邻的级联芯片可以分别从功分器级联适配接口单元E和F接入，次相邻级联芯片则分别和相邻芯片的适配接口单元E和F接入，依次类推。此时通过SPI配置当前芯片作为主芯片，其他作为从芯片。

发射前通过SPI配置移相各单元A，B，C，D时，毫米波开关S8切换到移相器结点，将倍频毫米波信号传输到移相单元A，B，C，D，此时开关S1，S2，S3，S4分时切换到两组发射通道，其中A1，A3，A5，A7这一组毫米波端口负责水平维探测，A2，A4，A6，A8这一组毫米波端口负责垂直维探测。当完成一帧信号发射后，开关S1，S2，S3，S4分时切换到(A1，A3，A5，A7)和(A2，A4，A6，A8)两组输入通道，开关S8切换到换频器单元，其中从A1，A3，A5，A7这一组毫米波端口负责接收水平维探测，A2，A4，A6，A8这一组毫米波端口负责接收垂直维探测，这些端口接收到的信号，被送到混频器混频输出模拟中频信号，通过S7输送到模拟中频信号接口单元I，然后给后级ADC采样。

图3为本实施例的一种变化例，在模拟中频单元I后面增加数字接口单元J，单元J内置ADC(模数转换器)和ADC缓冲器，并将经ADC缓冲器缓冲后的数据以CSI2(CameraSerial Interface)接口形式传输给后级处理。

图4为本实施例的一种级联芯片变化例，级联芯片中增加了数字接口单元J，我们在模拟中频单元I后面增加数字接口单元J，单元J内置ADC(模数转换器)和ADC缓冲器，并将经ADC缓冲器缓冲后的数据以CSI2(Camera Serial Interface)接口形式传输给后级处理。

图5为本实施例的2维扫描的毫米波雷达应用方案，本例采用三片毫米波雷达芯片级联，其中一片为master,2片为slave，即slave1和slave2。三片的RF1，RF3，RF5，RF7均采用水平方向图窄的天线，三片的RF2，RF4，RF6，RF8均采用垂直方向图窄的天线，FPGA通过SPI接口分别对三片雷达芯片进行master模式和slave模式配置，master模式的S7闭合，slave模式的S7断开，slave模式的中频单元I不送到后级处理。master中频单元I输出的信号经过ADC采用后送到FPGA处理。FPGA中建立移相表，并通过SPI配置各毫米波雷达芯片，控制各片的S1，S2，S3，S4开关分时切换，使得RF1，RF3，RF5，RF7端口和RF2，RF4，RF6，RF8端口分时切换。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术；上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种具有二维扫描功能的毫米波雷达芯片，其特征在于：包括基底，毫米波发射和接收端口RF1～RF8，4个移相器单元A、B、C、D，4个毫米波组合开关单元S1～S4，4个毫米波开关单元S5～S8，功分器级联适配接口单元E、F，毫米波压控振荡器和倍频单元V，毫米波混频器单元M，混频后的模拟中频信号接口单元I，串行外设接口单元SPI，接收外部控制信号来调控内部毫米波压控振荡器单元Vt，雷达芯片电源接口单元PWR；

其中RF1、RF3、RF5、RF7外接水平方向图窄，而垂直方向图宽的天线；RF2、RF4、RF6、RF8外接水平方向图宽，而垂直方向图窄的天线；根据系统对二维探测区域要求，分别在水平和垂直2个维度对天线进行布设，从而同时形成具有水平和垂直2个维度的探测能力；

2.根据权利要求1所述的具有二维扫描功能的毫米波雷达芯片，其特征在于：所述模拟中频单元I后配置有数字接口单元J，单元J内置ADC和ADC缓冲器，并将经ADC缓冲器缓冲后的数据以CSI2接口形式传输给后级处理。