CN111830472A - 雷达系统的校准 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及雷达系统的校准。描述了雷达系统校准的方法，包括生成RF振荡器信号并将其分配到各自提供相应的相移的RF振荡器信号的多个移相器。该方法还包括通过对应的雷达芯片接收相移的RF振荡器信号，并经由第一个雷达芯片的第一RF输出频道辐射相移的RF振荡器信号。辐射的信号在相对于被耦合到雷达芯片的天线具有预定位置的标记处被反向散射。该方法还包括通过每个雷达芯片的至少一个RF输入频道接收反向散射信号并在其中通过使用相应的雷达芯片接收的相移的RF振荡器信号，将接收的信号下变频到基带中以生成多个基带信号。该方法还包括确定每个基带信号的相位，调整由移相器引起的相移，使得基带信号的相位与预定的相位对天线位置特性匹配。

Description

雷达系统的校准
技术领域
本公开涉及雷达传感器的领域，尤其是涉及校准具有多个输入和多个输出频道的雷达系统的新颖概念。
背景技术
雷达传感器可以在许多测量物体距离和速度的传感应用中找到。在汽车领域，针对雷达传感器的需求在增加，这种雷达传感器可以在所谓的高级驾驶员辅助系统(ADAS)中被使用。高级驾驶员辅助系统的示例为“适应性巡航控制”(ACC)和“雷达巡航控制”系统。此类系统可以被用于自动调整汽车的速度，以便与前方行驶的其他汽车保持安全距离。高级驾驶员辅助系统的另一示例是盲点监视器，它可以利用雷达传感器检测在车辆盲点中的其他车辆。特别是自动驾驶汽车可以使用许多传感器(诸如雷达传感器)，来检测和定位在车辆的周围的各种物体。关于在自动驾驶汽车的区域中的物体的位置和速度信息被使用以用于安全导航。
现代雷达系统使用高度集成的RF电路，高度集成的RF电路可以将雷达收发器的RF前端的所有核心功能集成在一个单一的封装(单芯片收发器)中。此类RF前端通常包括(除其他外)：本地RF振荡器(LO)、功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)和混频器。调频连续波(FMCW)雷达系统使用雷达信号，其频率通过上下倾斜信号频率来调制。此类雷达信号通常被称为“啁啾信号”或简单地称为“啁啾”。雷达传感器通常使用一个或多个天线辐射啁啾序列，被辐射的信号由位于雷达传感器“视场”中的一个或多个物体(称为雷达目标)反向散射。反向散射信号(雷达回波)由雷达传感器接收和处理。雷达目标的检测通常是使用数字信号处理来完成的。
现代FMCW雷达系统可以包括多个输入频道和多个输出频道，并且因此被称为多输入/多输出(MIMO)系统。雷达系统的RF前端可以跨多个半导体芯片被分配，被称为单片微波集成电路(MMIC)。此类雷达系统不仅能够测量距离，而且能够测量相应的速度和方位角(也称为雷达回波的到达方向，DoA)。特别是角度测量需要发射的雷达信号的相位的校准，以便获得所期望的准确性。然而，在具有多个雷达MMIC的雷达系统中，相位校准可以牵涉一些在单芯片解决方案中不会出现的挑战。
发明内容
本文描述了用于雷达系统校准的方法。根据一个实施例，该方法包括生成RF振荡器信号并且将RF振荡器信号分配到多个移相器，每个移相器提供相应的相移的RF振荡器信号。该方法还包括通过对应的雷达芯片接收相移的RF振荡器信号，并经由雷达芯片中的第一个雷达芯片的第一RF输出频道辐射相移的RF振荡器信号。辐射的信号在标记处反向散射，该标记相对于被耦合到雷达芯片的天线具有预定的位置。该方法还包括通过每个雷达芯片的至少一个RF输入频道接收反向散射信号，并在每个雷达芯片的至少一个RF输入频道中，通过使用由相应的雷达芯片接收的相移的RF振荡器信号，将接收到的信号下变频到基带中以产生多个基带信号。该方法还包括针对每个基带信号确定相位，并调整由移相器引起的相移，使得基带信号的相位与预定的相位对天线位置特性相匹配。
此外，描述了对应的雷达系统。根据一个实施例，系统包括主雷达芯片和多个从属雷达芯片，其中每个从属雷达芯片都具有一个或多个耦合到相应的发射天线的RF输出频道和一个或多个耦合到相应的接收天线的RF输入频道。RF振荡器被包括在主雷达芯片中，并被配置为生成RF振荡器信号。该系统还包括被包括在主雷达芯片中的信号分配电路，该信号分配电路被配置为从RF振荡器接收RF振荡器信号，以将RF振荡器信号分配给多个移相器，该移相器被配置为对RF振荡器信号叠加相移，并将相移的RF振荡器信号输出到从属雷达芯片。每个从属雷达芯片的RF输出频道被配置为基于由相应的从属雷达芯片接收的RF振荡器信号辐射RF雷达信号。该系统还包括相对于发射天线和接收天线具有预定位置的标记的盖。从属雷达芯片的RF输入频道被配置为接收在标记处反向散射的RF雷达信号，并使用由相应的从属雷达芯片接收的相移RF振荡器信号将接收到的RF雷达信号下变频到基带中。在该方式中，针对每个从属雷达芯片的每个RF输入频道生成基带信号。该系统还包括控制器电路，该控制器电路被配置为确定基带信号中的每一个基带信号的相位，以及调整由信号分配电路的移相器引起的相移，使得基带信号的相位与预定的相位对天线位置特性相匹配。
附图说明
参照以下附图和描述可以更好地理解本发明。在图中的部件不必须按比例缩放；而是强调说明本发明的原理。在图中，相似的附图标记表示对应的部分。在附图中：
图1是图示用于距离和/或速度测量的FMCW雷达系统的操作原理的草图。
图2包括图示在FMCW雷达系统中使用的RF信号的频率调制的两个定时图。
图3是图示FMCW雷达设备的基础结构的框图。
图4是图示模拟RF前端和模拟基带信号处理的一个示例的电路图。
图5图示了包括数个级联MMIC的MIMO雷达系统的一个示例。
图6图示了包括数个级联(主和从属)MMIC并且允许有效地校准的MIMO雷达系统的一个示例。
图7和图8图示了相移天线定位特性的一个示例，该相位-天线定位特性被用于校准图6的雷达系统；图7图示了在第一校准步骤之前的情景，并且图8图示了在第一校准步骤之后的情景。
图9图示了具有由从属MMIC接收的LO信号的校准的相位的图6的系统。
图10图示了在经校准的被辐射RF输出信号的相位的第二校准步骤中测量的来自期望的相位-天线位置特性(参见图8)的相移。
图11图示了图9的系统，具有被连接到相应的发送天线的RF输出频道的校准的相位。
图12是图示在本文所描述的雷达系统中使用的相位校准的一个实施例的流程图。
图13是图示在本文所描述的雷达系统中使用的额外相位校准的一个实施例的流程图。
图14更详细地图示了在图9和图11中示出的系统的部分，尤其是涉及RF输出信号的相位的监测。
具体实施方式
图1图示了常规FMCW雷达传感器1。在本示例中，分别使用单独的发射(TX)和接收(RX)天线5和6(双站或伪单站雷达配置)。然而，要注意的是可以使用单个天线，使得接收天线和发射天线在物理上是相同的(单站雷达配置)。发射天线5(准-)连续地辐射RF信号sRF(t)，其例如由锯齿形信号进行频率调制。当辐射信号sRF(t)在可能位于雷达系统视场中的物体T处反向散射时，由接收天线6接收反向散射RF信号yRF(t)。物体T通常被称为“雷达目标”。在更一般的示例中，数个目标可以在雷达传感器的视场中，并且可以使用天线阵列替代单个RX天线。类似地，可以使用天线阵列替代单个TX天线。在多频道雷达系统中使用多个RX和TX天线允许测量雷达回波的入射角度(方位角度)，入射角度通常被称为到达方向(DoA)。到达方向的测量对于许多应用都很重要，并且因此大多数雷达传感器都将使用天线阵列。为了保持附图简单，在图1和图3中只示出了一个TX天线和一个RX天线。应理解的是，参照这些附图描述的概念很容易适用于具有天线阵列的雷达传感器。
图2图示了被提及的信号sRF(t)的常规频率调制。如在图2的上图中示出的，信号sRF(t)由一系列“啁啾”组成(即，具有增加(上啁啾)或减少(下啁啾)的频率的正弦波形)。在本示例中，啁啾的瞬时频率fLO(t)在定义的时间跨度Tramp内从开始频率fSTART线性增加到停止频率fSTOP(参见图2的底图)。此类啁啾也被称为线性频率斜坡。在图2中图示了具有三个相同线性频率斜坡的调频信号。然而，要注意的是，参数fSTART、fSTOP、TCHIRP以及各个频率斜坡之间的暂停可以根据雷达设备1的实际实现方式而变化，并且也可以在雷达设备的操作期间变化。
图3是图示雷达传感器1的示例性结构的框图。因此，至少一个发射天线5((多个)TX天线)和至少一个接收天线6((多个)RX天线)被连接到RF前端10，RF前端10可以被集成在半导体芯片中(通常称为单片微波集成电路(MMIC))。RF前端10可以包括用于RF信号处理所需要的所有电路部件。例如，此类电路部件可以包括，本地振荡器(LO)、RF功率放大器、低噪声放大器(LNA)、定向耦合器(诸如，激烈竞争耦合器(rat-race-coupler)和循环器)，以及用于将RF信号(例如，接收信号yRF(t)，参见图1)下变频到基带或IF带的混频器。如前所述，可以使用天线阵列替代单个天线。所描述的示例示出了一个双站(或伪单站)雷达系统，该雷达系统具有单独的RX和TX天线。在单站雷达系统的情况中，单个天线或单个天线阵列可以被用于接收电磁(雷达)信号和发射电磁(雷达)信号两者。在这种情况中，可以使用定向耦合器(例如循环器)将待发射到雷达频道的RF信号与从雷达频道接收到的RF信号分离。
在FMCW雷达传感器的情况中，由TX天线5辐射的RF信号可以在SHF(超高频)或EHF(极高频)频带中，例如，在24GHz ISM频带中，或者例如在汽车应用中的约76-81GHz的范围中。如前所述，由RX天线6接收的RF信号包括雷达回波(即，在(多个)雷达目标处已经被反向散射的信号)。接收的RF信号yRF(t)被下变频到基带中，并使用模拟信号处理(见图3，基带信号处理链20)在基带中进一步处理，其基本上包括基带信号的滤波和放大，并且因此确定接收信号的带宽。最后，使用一个或多个模数转换器30将基带信号数字化，并在数字域中进一步处理(见图3，在例如数字信号处理器40中实现的数字信号处理链)。整个系统由系统控制器50控制，系统控制器50可以至少部分地使用执行适当软件/固件的处理器来实现。例如，处理器可以被包括在微控制器、数字信号处理器等中。数字信号处理器40(DSP)可以是系统控制器50的一部分或与其分离。RF前端10和模拟基带信号处理链20以及可选的ADC 30以及数字信号处理的一部分可以被集成在单个MMIC中。然而，部件可以分配在两个或多个集成电路中。
图4图示了RF前端10的一个示例性实现方式，RF前端10可以被包括在图3中示出的雷达系统中。要注意的是，图4是示出RF前端的基本结构的简化电路图。实际的实现方式(在很大程度上取决于应用)当然是更复杂的，并且可以在单个MMIC中包括数个RX和/或TX频道。RF前端10包括生成RF信号sLO(t)的本地振荡器101(LO)，该RF信号sLO(t)可以如上文参考图2所说明的被频率调制。信号sLO(t)也称为LO信号。通常，本地振荡器101包括锁相环。
LO信号sLO(t)在发射信号路径以及接收信号路径中被处理。通过例如使用RF功率放大器102放大的LO信号sLO(t)，生成由TX天线5辐射的发射信号sRF(t)(输出雷达信号)。放大器102的输出被耦合到TX天线5。耦合在LO与特定TX天线之间的RF信号处理链被称为TX频道或RF输出频道，其在图4的示例中被标记为TX 1。为了调整输出雷达信号sRF(t)的相位，相应的输出频道TX 1包括移相器103，移相器103可以被耦合在输出频道TX 1的输入电路节点(LO信号sLO(t)在该输入电路节点处被接收)与RF放大器102之间。移相器103也可以被放置在RF放大器102之后，或者可以是RF放大器102的一部分。
接收的信号yRF(t)(收入雷达信号)由RX天线6提供，接收的信号yRF(t)被定向到混频器104。在本示例中，接收的信号yRF(t)(即，天线信号)由RF放大器105(增益g)预放大，使得混频器在其RF输入端口处接收经放大的信号g·yRF(t)。混频器104在其参考输入端口处还接收LO信号sLO(t)，并且混频器104被配置为将放大信号g·yRF(t)下变频到基带。在混频器输出处产生的基带信号被表示为yBB(t)。基带信号yBB(t)由模拟基带信号处理链20(也参见图3)进一步处理，模拟基带信号处理链20基本上包括一个或多个滤波器(例如带通滤波器21或高通滤波器和低通滤波器的组合)以移除不期望的边带和图像频率，以及一个或多个放大器(诸如，放大器22)。可以被提供给模数转换器(参见图3)的模拟输出信号被表示为y(t)。用于数字化输出信号(数字雷达信号)的数字后处理的各种技术如所已知的(例如，距离多普勒分析)，因此在此不作进一步解释。耦合在特定RX天线与提供相应的数字基带信号的ADC之间的RF信号处理链被称为RX频道或RF输入频道，其在图4的示例中被标记为RX1。
在本示例中，混频器104将RF信号g·yRF(t)(放大的天线信号)下变频到基带中。相应的基带信号(混频器输出信号)由yBB(t)表示。下变频可以在单级(即，从RF频带到基带)中或经由一个或多个中间级(从RF频带到中间频带中，然后到基带中)完成。
图5是图示具有多个耦合(级联)MMIC的MIMO雷达系统的一般示例的框图。在所绘制的示例中，四个MMIC 1、MMIC 2、MMIC 3和MMIC 4被布置在载体上(例如，电路板(印刷电路板PCB)。MMIC中的每个MMIC可以包括数个RF输入频道RX 1、RX 2、RX 3、RX 4以及数个RF输出频道TX 1、TX 2、TX 3。为了使雷达系统正确操作，重要的是由MMIC 1、MMIC 2、MMIC 3和MMIC 4使用的LO信号必须是相干的。因此，LO信号sLO(t)在一个MMIC 1(主MMIC)中生成，并被分配到其他MMIC 2、MMIC 3和MMIC 4(称为从属MMIC)。在所绘制的示例中，LO信号sLO(t)在主MMIC 1的LO输出LOout处输出，并被定向到RF功率分配器8的输入(例如，被实现为威尔金森(Wilkinson)功率分配器)；RF功率分配器8的输出与从属MMIC 2、MMIC 3和MMIC 4的相应LO输入LOin耦合。根据芯片封装，LO输入LOin和LO输出LOout可以被实现为引脚、焊球等。在具体示例中，LO输入LOin和LO输出LOout可以通过重新配置输出频道TX 3的输出引脚来实现。然而，可以使用分离的引脚以及LO输入LOin和LO输出LOout。
在所绘制的示例中，每个MMIC的TX频道TX 1和TX 2的输出可以被耦合到相应的发射天线。类似地，每个MMIC的RX频道RX 1、RX 2、RX 3和RX 4的输入可以被耦合到相应的接收天线。在MMIC 1、MMIC 2、MMIC 3和MMIC 4与功率分配器8之间的连接可以例如由布置在电路板PCB上的(例如差分)带状线来实现。此外，功率分配器8本身也可以使用被布置在电路板PCB上的带状线来实现。需要注意的是，所有的MMIC都可以包括本地振荡器，但是，在那些被配置为从属MMIC的MMIC中不使用本地振荡器。在正常雷达工作期间，LO信号在主MMIC1中生成并分配给从属MMIC，这确保了在不同MMIC中接收和处理的LO信号是相干的。
在图5的示例中，主MMIC 1基于(系统)时钟信号sCLK(t)生成LO信号sLO(t)，该时钟信号可以由被包括在在主MMIC 1中的时钟生成器生成。备选地，时钟信号sCLK(t)可以由系统控制器(参照图3，在图5中未示出)或由分离的时钟生成器生成。在本示例中，时钟信号sCLK(t)也由主MMIC 1(时钟输出XOUT)输出并分配给从属MMIC 2、MMIC 3和MMIC 4(时钟输入XIN)。通常，时钟信号的频率为数个MHz(例如500MHz)，然而LO信号的频率通常为数个GHz(例如77GHz)。在一些应用中，主MMIC 1可以被配置为将时钟信号sCLK(t)和LO信号sLO(t)提供给从属MMIC，由此主MMIC的RF输入和输出频道未被使用。在这种情况下，主MMIC的主要目标是信号的生成和分配。尽管在图5中未示出系统控制器，但它仍然存在。系统控制器可以经由数字高速链路(例如，低压差分信号LVDS或串行外围接口SPI)被连接到MMIC 1、MMIC2、MMIC 3和MMIC 4，该数字高速链路能够将由单独RX频道提供的数字基带信号发送到系统控制器。在这种情况下，数字信号处理将被集中在系统控制器中。然而，如前文所述的，数字信号处理的至少部分可以在MMIC中完成，使得只需要将经处理的数据(诸如，计算出的相位值、距离多普勒图等)发射到系统控制器。如前文所述的，实际实现方式可以在很大程度上取决于特定的应用。
图6图示了级联MIMO雷达系统的另一示例，该级联MIMO雷达系统允许对由单独的MMIC的TX频道输出的RF雷达信号的相位以及单独的MMIC的RX频道使用的LO信号的相位进行相对容易的在线(出厂)校准(并在需要时快速重新校准)。在本示例中，主MMIC 1基本上作为LO信号生成和分配电路操作，然而，被耦合到相应的发射和接收天线的RX频道和TX频道被包括在从属MMIC 2、MMIC 3、MMIC 4和MMIC 5中。
在图6的示例中，主MMIC 101包括本地振荡器101，其通常由在锁相方式中连接的压控振荡器来实现。产生的LO信号sLO,1(t)被提供给主MMIC的输出频道TX 1.1、TX 1.2、TX1.3和TX 1.4。输出频道TX 1.1、TX 1.2、TX 1.3和TX 1.4的RF输出信号被配置为分别输出LO信号sLO,2(t)、sLO,3(t)、sLO,4(t)和sLO,5(t)，它们基本上是LO信号sLO,1(t)的相移和放大版本。LO信号sLO,2(t)、sLO,3(t)、sLO,4(t)和sLO,5(t)分别被路由(例如，通过带状线)到从属MMIC2、MMIC 3、MMIC 4和MMIC 5的LO输入。主MMIC的输出频道TX 1.1、TX 1.2、TX 1.3和TX 1.4可以被实现为与在图4的示例中的TX频道相似。然而，在输出频道TX 1.1、TX 1.2、TX 1.3和TX 1.4中使用的放大器的增益可以低于在被连接到天线的输出频道中使用的增益。
在本示例中，从属MMIC 2、MMIC 3、MMIC 4和MMIC 5中的每一个从属MMIC包括多个RX频道和TX频道，标记为RX 2.1、RX 2.2、RX 2.3(统称为RX 2频道)、TX 2.1、TX 2.2、TX2.3(统称为TX 2频道)、RX 3.1、RX 3.2、RX 3.3(统称为RX 3频道)、TX 3.1、TX 3.2，TX 3.3(统称为TX3频道)等。TX频道的RF输出和RX频道的RF输入被连接到相应的发射和接收天线(在图6中由相应箭头指示)。在图4的示例中，TX频道TX 2、TX 3、TX 4和TX 5以及RX频道RX2、RX 3、RX 4和RX 5可以被实现为对应的TX和RX频道。
在图6中还图示了盖7，在盖7后安装了雷达系统。在汽车应用的情况中，盖可以是汽车的保险杠等。盖7包括标记8，其具有相对于被连接到从属MMIC 2、MMIC 3、MMIC 4和MMIC 5的发射天线和接收天线的预定位置。该标记可以是一小片金属，在该小片金属上，由发射天线辐射的RF雷达信号被反射/反向散射。标记8具有与在标记8附近的盖表面的反射系数不同的反射系数(例如更高)。标记8可以被嵌入或相反以其他方式被附加在盖7上。备选地，标记8也可以被实现为在盖7中的孔。由标记8引起的雷达回波将由雷达系统“视”为在距天线相对较短距离(例如10-15厘米)处的雷达目标。
如上文所述的，针对精确测量而言重要的是，输出雷达信号的相位(由相应的TX天线发射)以及由从属MMIC(以及由此集成在其中的RX频道)使用的“本地”LO信号sLO,2(t)、sLO,3(t)、sLO,4(t)和sLO,5(t)的相位相对于彼此具有限定的关系。由于本地LO信号的相位和发射的RF信号的相位可以由于集成在MMIC中的电路部件的公差而变化，并且可能进一步受到温度漂移的影响，因此可以执行相位的校准和/或定期重新校准以实现被期望的相位关系。图6的雷达系统的结构允许一个相对简单和有效的校准程序，这将在下面讨论。
为了进一步讨论，假设主MMIC 1的本地振荡器101生成调频LO信号sLO,1(t)，该调频LO信号sLO,1(t)可以根据以下等式建模
sLO,1(t)＝A0·sin(2πf0·t+πk·t2+φ0) (1)
其中，在不丧失一般性的情况下，振幅A可以被设置为一，相位
Figure BDA0002462166700000101
可以被设置为零以用于以下讨论(即，sLO,1(t)＝sin(2πf0·t+πk·t2))。注意，LO信号sLO,1(t)的瞬时频率为fLO＝f0+k·t。也就是说，频率fLO线性增加(线性频率斜坡，上啁啾)。主MMIC 1的RF输出频道TX1.1、TX 1.2、TX 1.3和TX 1.4中的每个RF输出频道都包括移相器(移相器分别具有可调的相移Δφ1.1、Δφ1.2、Δφ1.3、Δφ1.4)和放大器(参见图4，移相器103，放大器102)。因此，由主MMIC 1的输出频道TX 1.1、TX 1.2、TX 1.3和TX 1.4输出的LO信号sLO,2(t)、sLO,3(t)、sLO,4(t)和sLO,5(t)可以如以下地写入，其中放大器的增益被假定为用于以下讨论的增益的一个增益。也就是说，到达从属MMIC 2、MMIC 3、MMIC 4和MMIC 5的LO信号是：
sLO,2(t)＝sin(2πf0·t+πk·t2+φ2+Δφ1.1) (2)
sLO,3(t)＝sin(2πf0·t+πk·t2+φ3+Δφ1.2) (3)
sLO,4(t)＝sin(2πf0·t+πk·t2+φ4+Δφ1.3) (4)
sLO,5(t)＝sin(2πf0·t+πk·t2+φ5+Δφ1.4) (5)
其中，附加相位φ2、φ3、φ4和φ5，除其他外，由在主MMIC 1与相应的从属MMIC 2、MMIC 3、MMIC 4和MMIC 5之间的传播延迟，以及由匹配电路系统(在图中未示出)和被包括在主MMIC 1的RF输出频道TX 1.1、TX 1.2、TX 1.3和TX 1.4中的放大器(和其他有源电路部件)引起。
针对以下校准处理，选择从属MMIC中的一个从属MMIC的一个RF输出频道作为参考频道。在图6的示例中，选择从属MMIC 3的输出频道TX 3.1作为参考频道。然而，可以替代地选择任何其他输出频道。在校准的第一部分期间，相移LO信号sLO,3(t)经由连接到参考频道TX 3.1的输出的天线辐射，辐射的RF信号在标记8处被反向散射，通过所有接收天线和连接到RX天线的相应RX频道接收反向散射回波信号。
在校准处理开始时，由被包括在RF输出频道中的移相器103影响的所有相移被设置为零或任何其他限定的默认值(例如，Δφ1.1＝Δφ1.2＝Δφ1.3＝Δφ1.4＝0)。例如，使用傅里叶变换算法，由RX频道RX 2、RX 3、RX 4和RX 5提供的(数字化)基带信号的相位被确定。图7图示了由RX频道RX 2.1、…、RX 2.4、RX 3.1、…、RX 3.4、RX 4.1、…、RX 5.4和RX5.1、…、RX5.4提供的作为在校准之前的天线位置的函数的基带信号的相位，而图8图示了在校准处理之后的对应相位。在图8中图示的相位对天线位置特性是针对特定雷达系统的期望的预定特性。它可能是如在本示例中的情况一样的线性特性。然而，用于校准的特性曲线不一定是线性的。此外，在虚线上的负相位值实际上与在虚线上的对应正值相同。它们仅有的不同之处在于符号是相反的。
如在图7中所见的，在校准之前，由RX频道RX 2、RX 4和RX 5提供的基带信号的相位不在期望的特性曲线上。在本示例中，RX频道RX 3提供的基带信号的相位在期望的特性曲线上(在本示例中，这些相位定义了特性曲线在纵轴上的位置)。然而，事实并不一定如此。一旦确定了相位，就可以针对每个从属MMIC的RX频道确定从虚线(在本示例中是线性特性曲线)的相移。在图7的示例中，相移为从属MMIC 2的RX 2频道的ΔφRX2、从属MMIC 4的RX4频道的ΔφRX4和从属MMIC 4的RX 4频道的ΔφRX5。在本示例中，参考MMIC(从属MMIC 3)的相移ΔφRX3用作参考(偏移可以等于零)。如前所述的，这在其他实施例中可能不同。
基于基带信号的确定相位(RX2频道的φRX2.1等，RX3频道的φRX3.1等)，可以确定相移ΔφRX2、ΔφRX3、ΔφRX4和ΔφRX5(见图7)，并且被包括在主MMIC 1的输出频道TX 1.1、TX1.3和TX 1.4中的相应的移相器的控制输入，可以根据确定的相移ΔφRX2、ΔφRX4和ΔφRX5而调整，使得基带信号的相位预定义的特性曲线(相位对天线位置特性)相匹配。在这种情况中，“匹配”是指在调整移相器的控制输入之后，如在图8中示出的，基带信号的相位位于特性曲线上(在一定的公差范围内)。
被包括在输出频道TX 1.1、TX 1.3和TX 1.4中的移相器的控制输入定义了由相应的移相器提供的相移Δφ1.1、Δφ1.3和Δφ1.4(参见等式2-5)。为了补偿上述偏移，相移可以按以下方式设置：Δφ1.1＝-ΔφRX2，Δφ1.2＝-ΔφRX3＝0，Δφ1.3＝-ΔφRX4，和Δφ1.4＝-ΔφRX5，其中负相移可以通过添加360度被转换为等效的正相移。在上述校准的第一部分之后，LO信号sLO,2(t)、sLO,3(t)、sLO,4(t)和sLO,5(t)的相位被校准，并且RX频道RX 2、RX 3、RX 4和RX 5使用相应的经校准LO信号。被包括在输出频道TX 1.1、TX 1.2、TX 1.3和TX 1.4中移相器的控制输入的调整可以被系统控制器50影响，该系统控制器50控制整个系统的操作以及校准过程。
图9与图6基本相同。然而，区别于图6，在图9中的示例还额外地图示了系统控制器50如何基于由单个从属MMIC 2、MMIC 3、MMIC 4和MMIC 5的RX频道提供的基带信号的测量相位来设置被包括在主MMIC 1的输出频道TX 1.1、TX 1.2、TX 1.3和TX 1.4中的移相器的控制输入。在上述校准过程的第一部分中，仅从属MMIC 3(参考频道)的第一输出频道TX3.1被用于向标记8发射雷达信号。在校准过程的第二部分中，第一输出频道TX 2.1、TX 4.1和TX 5.1依次向标记8辐射雷达信号，而所有RX频道再次接收所产生的雷达回波。再次，可以使用此类已知方法来确定由RX频道提供的基带信号的相位。
由于在校准的第一部分中，只有TX 3.1频道(参考频道)辐射雷达信号，因此当其他从机MMIC的TX频道(例如TX 2.1、TX 4.1或TX 5.1)被用于替代辐射雷达信号时，在图8中示出的被期望的情景(所有相位与被期望的特性曲线相匹配)将总体上不被实现。在校准过程的这个阶段中，被包括在从属MMIC的TX频道中的移相器(例如TX 2.1、TX 4.1或TX 5.1)仍然在其控制输入处接收默认值(例如零)。因此，在从属MMIC 2的第一输出频道TX 2.1辐射雷达信号的情况下，继续校准过程。在这种情况中，基带信号的结果相位将不位于期望的特性曲线上，而是展现相对于期望的特性曲线(即，期望的相位对天线位置特性)的相移ΔφTX2。类似地，当从MMIC 4的输出频道TX 4.1辐射时，相移ΔφTX4将发生；当从属MMIC 5的输出频道TX 5.1辐射雷达信号时，相移ΔφTX5将发生。这种情景在图10中图示。自然地，相移ΔφTX3为零，因为相应的输出频道TX 3.1已经被选择作为参考频道。校准处理的第二部分旨在补偿这些相移ΔφTX2、ΔφTX4和ΔφTX5。
为了补偿相移ΔφTX2、ΔφTX4和ΔφTX5，调整了被包括在从属MMIC 2、MMIC 4和MMIC 5的TX频道TX 2.1、TX 4.1和TX 5.1中的移相器的控制输入。当输出频道TX 2.1的移相器的控制输入Δφ2.1被设置为-ΔφTX2，输出频道TX 4.1的移相器的控制输入Δφ4.1被设置为-ΔφTX4，输出频道TX 5.1的移相器的控制输入Δφ5.1被设置为-ΔφTX5时，可以实现补偿。这种情况在图11中图示，除了从属MMIC 2、MMIC 3和MMIC 5中的TX频道的移相器已经被校准，与图9基本相同。
每个MMIC 2、MMIC 3、MMIC 4和MMIC 5可以包括内部校准例程，其中，例如TX 2.1(已按上述方式校准)现在被用作参考，并且可以使用每个TX频道的内部移相器校准的频道TX 2.2至TX 2.4，以在相应的MMIC内实现内部相位对准。
现在，参照在图12中示出的流程图总结上述校准方法的一个示例。在本文描述的雷达系统中，该方法(例如，步骤的顺序和信号流)可以由系统控制器50控制(参见图6、图9和图11)。针对该目的，系统控制器可以包括能够引起系统控制器或实现该方法的软件执行指令的处理器。要理解的是，虽然并非在所有附图中都明确示出，但是系统控制器能够经由诸如LVDS链路、SPI总线等适当的通信链路与雷达芯片(主MMIC 1和从属MMIC 2-5)通信。然而，部分控制机制可以直接在雷达MMIC 1-5中实现。针对本文描述的校准方法，它与实现控制机制的部件以及如何实现在各个芯片之间的通信并不特别相关。
根据图12，该方法包括(图12，步骤S1)RF振荡器信号的生成(即，在本文所述示例中的LO信号sLO,1(t))，以及LO信号sLO,1(t)到多个移相器的分配。每个移相器提供相应的移相LO信号sLO,2(t)、sLO,3(t)、sLO,4(t)和sLO,5(t)。在图6和图9中示出的示例中，这些移相器被包括在主MMIC 1的输出频道TX 1.1、TX 1.2、TX 1.4和TX 1.4中。在图4中图示了移相器如何被布置在输出频道中的一个示例(参见图4，移相器103)。由移相器影响的相移Δφ1.1、Δφ1.2、Δφ1.3和Δφ1.4可以通过调整如下面说明的相应的移相器的控制输入来校准。
校准方法还包括(图12，步骤S2)通过对应的雷达芯片接收相移LO信号sLO,2(t)、sLO,3(t)、sLO,4(t)和sLO,5(t)(见图6，从属MMIC 2-5接收相移LO信号)。在每个雷达芯片中，接收到的LO信号被提供给被包括在雷达芯片中的RF输出频道。此外，在每个雷达芯片中，接收到的LO信号被用在被包括在雷达芯片中的输入频道中，以将从接收天线接收到的天线信号下变频。因此，该方法还包括(图12，步骤S3)经由雷达芯片中的第一雷达芯片的第一RF输出频道(例如MMIC 3的频道TX 3.1)辐射相移LO信号(例如，sLO,3(t))。当然，LO信号在由被耦合到相应的输出频道的发射天线辐射之前被放大。然后，辐射信号在相对于耦合到雷达芯片的天线具有预定位置的标记处被反向散射(参见图6，标记8)。因此，由每个雷达芯片(图12，步骤S4)的至少一个RF输入频道(例如，通过在图6和图9的示例中的从属MMIC 2-5的输入频道RX 2.1、RX 3.1、RX 4.1和RX 5.1)可以接收反向散射信号(回波信号)。在一个特定的示例中，雷达芯片的所有RF输入频道都被用于接收回波信号。
如上文参照图4所述，在RF输入频道中处理接收到的回波信号。因此，该方法包括(图12，步骤S5)使用由用于下变频(参见图4，将预放大的回波信号与LO信号混合)的相应的雷达芯片接收的相移LO信号sLO,2(t)、sLO,3(t)、sLO,4(t)和sLO,5(t)，在每个雷达芯片的至少一个RF输入频道中(例如，RX 2.1、…、RX 3.1、…、RX 4.1、…、RX 5.1、…)，通过将接收到的回波信号下变频到基带中来生成多个基带信号(在图4中由y(t)表示)。在下一步骤(图12，步骤S6)中，使用已知技术确定每个基带信号的相位。在图9中，这些相位被表示为RX 2.1、RX 3.1、RX 4.1和RX 5.1。在一个实施例中，基带信号被数字化，相位由数字信号处理确定，数字信号处理可以包括对数字化信号的傅里叶变换的计算。然后，可以从傅里叶变换导出相位。然而，存在其他用于确定相位的概念。相位测量的实现方式与本说明并不特别相关。
实际校准在下一步骤(图12，步骤S7)中实现，根据下一步骤调整由移相器(提供移相LO信号)引起的相移Δφ1.1、Δφ1.3、Δφ1.4，使得基带信号的相位与预定义的相位对天线位置特性相匹配。如在图7和图8中图示的，相位对天线位置特性(特性曲线)可以具有直线的形式(即，相位和在相应的天线位置之间的关系是线性加上恒定偏移的关系)。再次指出，特性曲线不必须是直线的；然而，特性曲线是预先定义的，并且表示针对每个天线的期望位置。
当上述校准过程已经完成时，由信号分配电路(即，在主MMIC1中)的移相器引起的相移Δφ1.1、Δφ1.3、Δφ1.4被校准。由于在校准期间，仅使用了一个雷达芯片的一个RF输出频道(例如被称为参考频道的在图9的示例中的MMIC 3的频道TX 3.1)，因此可以针对其他雷达芯片执行类似的校准过程。参照图13的流程图总结了一个示例。
根据图13，该方法包括(图13，步骤S8)经由雷达芯片中的第二个雷达芯片的第一RF输出频道(例如MMIC 2的频道TX 2.1)辐射相移LO信号(例如sLO,2(t))。如前所述，LO信号在由被耦合到相应的输出频道的发射天线辐射之前被放大。然后，辐射信号在所述标记处反向散射。因此，通过每个雷达芯片(图13，步骤S9)的至少一个RF输入频道(例如，通过图11的示例中的从属MMIC 2-5的输入频道RX 2.1、RX 3.1、RX 4.1和RX 5.1)可以接收反向散射信号(回波信号)。如前所述，雷达芯片的所有RF输入频道可以用于接收回波信号。
如上文参照图4所述，在RF输入频道中处理接收到的回波信号。因此，该方法包括(图13，步骤S10)使用由用于下变频的相应雷达芯片接收的相移LO信号sLO,2(t)、sLO,3(t)、sLO,4(t)和sLO,5(t)，在每个雷达芯片的至少一个RF输入频道中(例如，RX 2.1、…、RX3.1、…、RX 4.1、…、RX 5.1、…)，通过将接收到的回波信号下变频到基带中来生成多个基带信号(在图4中由y(t)表示)。在下一步骤(图13，步骤S11)中，使用已知技术来确定每个基带信号的相位。上述步骤S10和S11与在图12中图示的对应步骤S5和S6基本相同。
实际校准在下一步骤中完成(图13，步骤S12)，根据该步骤，由被包括在雷达芯片中的第二个雷达芯片的第一输出频道中的移相器(即，在本示例中的MMIC 2的频道TX 2.1)引起的相移Δφ2.1被调整，使得基带信号的相位与预定的相位对天线位置特性相匹配。如在图10中图示的，步骤S7(图12)的预确定相位对天线位置特性(特性曲线)和步骤S12(图13)的另外的预确定的相位对天线位置特性可以相同(见图10中的实线)。然而，情况并不必须如此。在图13的步骤12中使用的另外的预确定的相位对天线位置特性可以不同，例如，与在图12的步骤S7中使用的预定相位对天线位置特性相比具有相移。
图13图示了由被包括在雷达芯片中的第二个雷达芯片的第一输出频道(例如MMIC2的频道TX 2.1)中的移相器引起的相移Δφ2.1的校准。如在图1中由虚线箭头指示的，除了包括参考频道的雷达芯片外，可以对所有其他雷达芯片(例如MMIC 4和4)重复该校准过程。
图14更详细地图示了在图9和图11中示出的系统的部分。在图14的示例中所包括的附加电路系统允许监测从属MMIC 2-5的输出频道TX 2.1、TX 3.1、TX 4.1和TX 5.1的RF输出信号的相位。注意，在图14中，为了说明的清楚，省略了对进一步说明不重要的所有电路部件。此外，在图14中仅示出从属MMIC 2。其他从属MMIC 3、MMIC 4和MMIC 5与从属MMIC2本质上相同。从属MMIC 2的输出频道TX 2.1包括移相器103，该移相器103对在从属MMIC 2的LO输入处接收到的LO信号sLO,2(t)施加Δφ2.1的附加移相。移相器103的输出被耦合到RF功率放大器102的输入，并且放大的信号被引导到天线5，天线5经由定向耦合器106被连接到输出频道TX 2.1的RF输出(天线端口)。定向耦合器106被布置在靠近天线端口的位置，并且被配置为分支外放天线信号的功率的一小部分(在图14中被表示为sTX2.1(t))。因此，RF信号sTX2.1(t)基本上是LO信号sLO,2(t)的缩放和相移版本。换言之，定向耦合器106用于在输出频道TX 2.1的RF输出处抽取(相移和放大)LO信号，以便提供反馈信号sTX2.1(t)。
RF信号sTX2.1(t)被反馈给主MMIC 1，并且被提供给被包括在主MMIC 1中的对应RF输入频道RX 1.1。在同样的方式中，来自从属MMIC 3的输出频道TX 3.1的反馈信号sTX3.1(t)可以被反馈到主MMIC 1的RF输入频道RX 1.2，来自从属MMIC 4的输出频道TX 4.1的反馈信号sTX4.1(t)可以被反馈到主MMIC 1的RF输入频道RX 1.3，来自从属MMIC 5的输出频道TX5.1的反馈信号sTX5.1(t)可以反馈到主MMIC 1的RF输入频道RX 1.4(在图14中未示出)。
在输入频道RX 1.1中，反馈信号sTX2.1(t)可以被放大(见图14，可选放大器105)，并使用由本地振荡器101提供的LO信号sLO,1(t)下变频到基带中。如上文参照图4更详细地说明的，下变频由混频器104完成。混频器输出信号yBB(t)由模拟基带信号处理链20处理，该处理基本上包括滤波和进一步放大。所得到的基带信号y(t)被提供给模数转换器30，并且使用上文已经提到的数字信号处理技术来计算基带信号y(t)的相位φTX2.1。在相同的方式中，基于来自MMIC 3-5的反馈信号，可以计算相位φTX3.1、φTX4.1和φTX5.1。
在参照图12和图13讨论的上述校准过程的结束处，相位φTX2.1、φTX3.1、φTX4.1和φTX5.1基于对应的反馈信号sTX2.1(t)、sTX3.1(t)、sTX4.1(t)和sTX5.1(t)被确定，并且被存储在例如被包括在系统控制器中的存储器中。备选地，用于存储相位的存储器可以被包括在主MMIC 1中。存储器的具体实现方式与本说明并不特别相关。在校准雷达系统的正常雷达操作期间，可以重复测量(监测)相位φTX2.1、φTX3.1、φTX4.1和φTX5.1，例如在雷达系统重启/通电之后，在给定时间间隔内定期地，或在特定事件的发生时(诸如检测到温度变化)重复测量。当相位中的至少一个相位相对于先前在校准之后被存储的相应相位值改变了超过预定相移时，可以触发重新校准。
尽管已经关于一个或多个实现方式图示和描述了本发明，但是可以在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下对图示的示例进行修改和/或改变。尤其是关于由上述部件或结构(单元、部件、设备、电路、系统等)执行的各种功能，除非另有说明，用于描述此类部件的术语(包括对“方式”的引用)旨在与任何部件或结构相对应，部件或结构执行所述部件的指定功能(例如，其功能等效)，即使其在结构上不等同于所公开的结构，其执行在此图示的本发明的示例性实现方式中的功能。

Claims (12)

1.一种方法，包括：
生成RF振荡器信号(sLO(t))并且将所述RF振荡器信号(sLO(t))分配到多个移相器，所述多个移相器各自提供相应的相移的RF振荡器信号；
通过对应的雷达芯片(2、3、4、5)接收所述相移的RF振荡器信号；
经由所述雷达芯片(3)中的第一个雷达芯片的第一RF输出频道(TX 3.1)辐射所述相移的RF振荡器信号；所述辐射的信号在标记(8)处被反向散射，所述标记(8)相对于被耦合到所述雷达芯片(2、3、4、5)的天线具有预定的位置；
通过每个雷达芯片(2、3、4、5)的至少一个RF输入频道(RX2.1、…、RX 3.1、…、RX4.1、…、RX 5.1、…)接收所述反向散射的信号；
在每个雷达芯片(2、3、4、5)的所述至少一个RF输入频道(RX2.1、…、RX 3.1、…、RX4.1、…、RX 5.1、…)中，通过使用由所述相应的雷达芯片(2、3、4、5)接收的所述相移的RF振荡器信号((sLO,2(t)、sLO,3(t)、sLO,4(t)、sLO,5(t))，将所述接收到的信号下变频到基带中生成多个基带信号；
针对每个基带信号确定相位；以及
调整由所述移相器引起的所述相移(Δφ1.1、Δφ1.2、Δφ1.3、Δφ1.4)，使得所述基带信号的所述相位与预定的相位对天线位置特性相匹配。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
其中所述预定的相位对天线位置特性的偏移由所述基带信号的所述相位确定，所述基带信号由所述雷达芯片(3)中的所述第一个雷达芯片的所述至少一个RF输入频道(RX 3.1、RX 3.2、RX 3.3、RX 3.4)提供。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其中所述相位对天线位置特性表示在相位和相应的天线位置之间的线性关系加偏移。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括：
经由所述雷达芯片(2)中的第二个雷达芯片的第一RF输出频道(TX 2.1)辐射所述相移的RF振荡器信号(sLO,2(t))；所述辐射的信号在所述标记(8)处被反向散射；
通过每个雷达芯片(2、3、4、5)的所述至少一个RF输入频道(RX 2.1、…、RX 3.1、…、RX4.1、…、RX 5.1、…)接收所述反向散射的信号；
在每个雷达芯片(2、3、4、5)的所述至少一个RF输入频道(RX2.1、…、RX 3.1、…、RX4.1、…、RX 5.1、…)中，通过使用由所述相应的雷达芯片(2、3、4、5)接收的所述相移的RF振荡器信号((sLO,2(t)、sLO,3(t)、sLO,4(t)、sLO,5(t))，将所述接收到的信号下变频到所述基带中生成多个基带信号；
针对每个基带信号确定相位；以及
调整被包括在所述雷达芯片(2)中的所述第二个雷达芯片的所述第一RF输出频道(TX2.1)中的另外的移相器的所述相位(Δφ2.1)，使得所述基带信号的所述相位与另外的预定的相位对天线位置特性相匹配。
5.根据权利要求4所述的方法，
其中所述另外的预定的相位对天线位置特性等于所述预定的相位对天线位置特性。
6.根据权利要求4或5所述的方法，还包括：
经由所述雷达芯片(3、2)中的所述第一个雷达芯片和所述第二个雷达芯片的所述第一RF输出频道(TX 3.1、TX 3.2)测量所述辐射的相移的RF振荡器信号(sLO,3(t)、sLO,2(t))的相位，并且存储所述相应的相位；
当相位中的至少一个相位与所述相应的被存储的相位值相比已经变化超过预定相移时，重复所述相位的测量和发信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其中测量所述RF振荡器信号的所述相位包括：
使用定向耦合器在所述相应的雷达芯片(3、2)的所述第一RF输出频道(TX 3.1、TX3.2)的输出端口处抽取所述RF振荡器信号；
通过将所述被抽取的RF振荡器信号与所述RF振荡器信号(sLO(t))混频，将所述被抽取的信号下变频到所述基带中；
确定所产生的基带信号的所述相位。
8.一种雷达系统，包括：
主雷达芯片(1)和多个从属雷达芯片(2、3、4、5)，所述从属雷达芯片(2、3、4、5)具有被耦合到相应的发射天线的一个或多个RF输出频道(TX 2.1、…、TX 5.1)以及被耦合到相应的接收天线的一个或多个RF输入频道(RX 2.1、…、RX 5.3)，
RF振荡器(101)，被包括在所述主雷达芯片(1)中，所述RF振荡器(101)被配置为生成RF振荡器信号(sLO,1(t))；
信号分配电路，被包括在所述主雷达芯片(1)中，所述信号分配电路被配置为从所述RF振荡器(101)接收所述RF振荡器信号(sLO,1(t))以将所述RF振荡器信号(sLO,1(t))分配到多个移相器，所述多个移相器被配置为对所述RF振荡器信号(sLO,1(t))叠加相移，并将所述相移的RF振荡器信号(sLO,2(t)、…、sLO,5(t))输出到所述单独的从属雷达芯片(2、3、4、5)，其中每个从属雷达芯片(2、3、4、5)的所述RF输出频道(TX 2.1、…、TX 5.1)被配置为基于由所述相应的从属雷达芯片(2、3、4、5)接收的所述RF振荡器信号(sLO,2(t)、…、sLO,5(t))辐射RF雷达信号；以及
具有标记(8)的盖(7)，所述具有标记(8)的盖相对于所述发射天线和所述接收天线具有预定位置；
其中所述从属雷达芯片(2、3、4、5)的所述RF输入频道(RX2.1、…、RX 5.3)被配置为接收在所述标记(8)处反向散射的RF雷达信号，并且使用由所述相应的从属雷达芯片(2、3、4、5)接收的所述相移的RF振荡器信号(sLO,2(t)、…、sLO,5(t))将所述接收的RF雷达信号下变频到基带中，因此生成用于每个从属雷达芯片(2、3、4、5)的每个RF输入频道的基带信号，以及
其中所述系统还包括控制器电路(50)，所述控制器电路(50)被配置为：
确定所述基带信号中的每一个基带信号的相位，以及
调整由所述信号分配电路的所述移相器引起的所述相移(Δφ1.1、Δφ1.2、Δφ1.3、Δφ1.4)，使得所述基带信号的所述相位与预定的相位对天线位置特性相匹配。
9.根据权利要求8所述的雷达系统，
其中所述控制器电路(50)包括被集成在不同半导体芯片中的电路系统。
10.根据权利要求8或9所述的雷达系统，
其中每个从属雷达芯片(2、3、4、5)的至少一个RF输出频道(TX 2.1、…、TX 5.1)包括定向耦合器，所述定向耦合器被配置为提供在所述相应的RF输出频道(TX 2.1、…、TX 5.1)的输出端口处被抽取的所述RF振荡器信号的功率的小部分作为反馈信号(sLO,2.1(t)、…、sLO,5.1(t))。
11.根据权利要求10所述的雷达系统，
其中所述主雷达芯片(1)针对每个从属雷达芯片(2、3、4、5)包括一个RF输入频道(RX1.1、…、RX 1.4)，每个RF输入频道(RX1.1、…、RX 1.4)被配置为接收所述相应的反馈信号(sLO,2.1(t)、…、sLO,5.1(t))，以通过与所述RF振荡器信号(sLO,1(t))混频来将所述反馈信号(sLO,2.1(t)、…、sLO,5.1(t))下变频到所述基带中，并且提供对应的基带信号，以及
其中所述控制器电路被配置为通过所述RF输入频道(RX1.1、…、RX 1.4)确定所述基带信号的所述相位，以及在存储器中存储所述确定的相位值。
12.根据权利要求11所述的雷达系统，
其中所述控制器电路被配置为在正常雷达操作期间监测由所述RF输入频道(RX1.1、…、RX 1.4)提供的所述基带信号的所述相位，以及当相位中的至少一个相位与所述相应的被存储的相位值相比已经改变超过预定相移时，发信号。
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