CN112394327A - 基于芯片的发送信道架构 - Google Patents
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Abstract
一种雷达系统包括发送部分，以发射发送信号。发送部分的基于芯片的前端部分增加输入信号的频率以产生中间信号并放大该中间信号的信号强度以产生发送信号。输入信号的频率在76千兆赫(GHz)至80GHz的范围内。该雷达系统还包括接收部分，以接收由物体反射发送信号而产生的反射信号。
Description
技术领域
本主题公开涉及一种基于芯片的发送信道架构。
背景技术
车辆(例如汽车、卡车、建筑设备、农用设备、自动化工厂设备)越来越多地包括传感器，以获取有关车辆及其环境的信息。传感器促进了车辆的半自主或自主运行。示例性传感器包括无线电检测和测距(雷达)系统、光检测和测距(激光雷达)系统以及相机。通常，车辆雷达系统发射77千兆赫(GHz)范围内的射频(RF)信号，但是可以通过增加雷达工作频率(即发送信号的频率)来实现高分辨率成像。同时，在车辆环境中，出于空间考虑，需要紧凑的信号生成部分(即RF前端)。因此，期望提供一种基于芯片的发送信道架构。
发明内容
在一示例性实施例中，一种雷达系统包括发送部分，以发射发送信号。发送部分的基于芯片的前端部分增加输入信号的频率以产生中间信号并放大该中间信号的信号强度以产生发送信号。输入信号的频率在76千兆赫(GHz)至80GHz的范围内。该雷达系统还包括接收部分，以接收由物体反射发送信号而产生的反射信号。
除了本文所述的一个或多个特征之外，前端部分包括三倍乘法器，以增加输入信号的频率并产生频率范围为228GHz至240GHz的中间信号。
除了本文所述的一个或多个特征之外，中间信号被分离以向两个或更多个信道提供输入，两个或更多个信道中的每个包括功率放大器，以放大所述输入的信号强度并提供放大的输出，并且两个或更多个信道中的每个的放大的输出被组合以提供发送信号。
除了本文所述的一个或多个特征之外，前端部分包括分离器，以将输入信号分离为至两个或更多个信道中的每个的输入。
除了本文所述的一个或多个特征之外，两个或更多个信道中的每个包括乘法器以增加至信道的输入的频率并生成中间信号。
除了本文所述的一个或多个特征之外，两个或更多个信道中的每个包括功率放大器，以放大信道的中间信号的信号强度并产生放大的信号。
除了本文所述的一个或多个特征之外，前端部分包括组合器，以组合两个或更多个信道中的每个的放大的信号以提供发送信号。
除了本文所述的一个或多个特征之外，前端部分包括两个或更多个静电放电(ESD)设备，两个或更多个ESD设备中的每个充当用于一频率范围的带通滤波器。
除了本文所述的一个或多个特征之外，两个或更多个ESD设备中的至少一个使输入信号的频率通过，并且两个或更多个ESD设备中的至少另一个使中间信号的频率通过。
除了本文所述的一个或多个特征之外，雷达系统设置在车辆中，并且通过处理反射信号而获得的信息用于控制车辆的操作。
在另一示例性实施例中，一种组装雷达系统的方法包括：形成发送部分，以发射发送信号；并且制造发送部分的基于芯片的前端部分，以增加输入信号的频率以产生中间信号并放大该中间信号的信号强度以产生发送信号，输入信号的频率在76千兆赫(GHz)至80GHz的范围内。该方法还包括形成接收部分，以接收由物体反射发送信号而产生的反射信号。
除了本文所述的一个或多个特征之外，制造前端部分包括制造三倍乘法器，以增加输入信号的频率并产生频率范围为228GHz至240GHz的中间信号。
除了本文所述的一个或多个特征之外，制造前端部分包括布置无源分离器，以分离所述中间信号并且向两个或更多个信道提供输入，制造两个或更多个信道中的每个中的功率放大器，以放大所述输入的信号强度并提供放大的输出，并且布置组合器，以组合两个或更多个信道中的每个的放大的输出以提供发送信号。
除了本文所述的一个或多个特征之外，制造前端部分包括布置分离器，以将输入信号分离为至两个或更多个信道中的每个的输入。
除了本文所述的一个或多个特征之外，制造前端部分包括制造两个或更多个信道中的每个中的乘法器，以增加至信道的输入的频率并生成中间信号。
除了本文所述的一个或多个特征之外，制造前端部分包括制造两个或更多个信道中的每个中的功率放大器，以放大信道的中间信号的信号强度并产生放大的信号。
除了本文所述的一个或多个特征之外，制造前端部分包括布置组合器，以组合两个或更多个信道中的每个的放大的信号以提供发送信号。
除了本文所述的一个或多个特征之外，制造前端部分包括形成两个或更多个静电放电(ESD)设备，以充当用于一频率范围的带通滤波器，并且该形成包括基于所述频率范围来确定两个或更多个ESD设备中的每个的尺寸。
除了本文所述的一个或多个特征之外，制造前端部分包括形成并设置两个或更多个ESD设备中的至少一个以使输入信号的频率通过，并且形成并设置两个或更多个ESD设备中的至少另一个以使中间信号的频率通过。
除了本文所述的一个或多个特征之外，该方法还包括将雷达系统设置在车辆中，并且通过使用由处理反射信号而获得的信息来控制车辆的操作。
当结合附图考虑时，根据以下详细描述，本公开的以上特征和优点以及其他特征和优点将显而易见。
附图说明
其他特征、优点和细节仅通过示例的方式在下面的详细描述中出现，该详细描述参考附图，其中：
图1是根据一个或多个实施例的具有雷达系统的车辆的框图；
图2是根据一个或多个实施例的雷达系统的各方面的框图；
图3是根据示例性一个或多个实施例的雷达系统中的基于芯片的发送信道架构的框图；以及
图4是根据另外的示例性一个或多个实施例的雷达系统中的基于芯片的发送信道架构的框图。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并且无意于限制本公开、其应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
如前所述，在诸如车辆应用之类的应用中，部件尺寸是考虑因素。因此，雷达系统的各个方面可被制造为集成电路(即芯片)。还应指出，在雷达系统中，可以使用更高频率发送信号来实现高分辨率成像。然而，增加工作频率通常会降低发送功率。虽然一种方法是使用更大更高功率发送器，但硅(Si)上(即芯片上)发送器的增加的尺寸与增加的成本相对应。此外，静电放电(ESD)保护目前在非常高频率范围内不可用。本文详述的系统和方法的实施例涉及在解决尺寸和ESD问题的同时实现期望的更高频率的基于芯片的发送信道架构。上转换器用于增加发送信号的频率，放大器用于实现实际的检测范围。这些部件都在芯片上。还如所述，ESD保护与匹配网络组合。
根据示例性实施例，图1是具有雷达系统110的车辆100的框图。示例性车辆100是汽车101。除了雷达系统110之外，车辆100可以包括一个或多个其他传感器130(例如相机、激光雷达系统)。传感器130可以单独使用或与雷达系统110结合使用以检测物体140，比如图1所示的行人145。如图所示，发送信号115被发射并且反射信号117被雷达系统100接收。当发送信号115遇到物体140并且被反射回时，反射信号117产生。如参照图2和3所讨论，发送的信号115是比典型的汽车雷达信号更高频率信号，因此，有助于获得高分辨率雷达图像。
车辆100还包括控制器120。由雷达系统110所获得的数据的处理可以在雷达系统110内执行或者由控制器120使用处理电路来执行，处理电路可以包括专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供上述功能的其他合适部件。雷达系统110和控制器120的组合可以用于处理数据。控制器120可以基于对物体140的检测来控制车辆100的操作(例如自主驾驶、半自主驾驶，比如避免碰撞、自动制动、自适应巡航控制)。参考图2进一步详细描述了雷达系统110的各方面。
图2是根据一个或多个实施例的雷达系统110的各方面的框图。如图2所示，雷达系统110通常包括发送部分210和接收部分220。发送部分210包括信号发生器213，其生成的信号作为至RF前端215的输入信号RF_in。参照图3和4进一步详细描述了RF前端215。RF前端215的输出信号RF_out由发送天线217发射作为发送信号115。尽管示出了一个发送天线217，但根据另外或替代实施例，发送部分210可以包括两个或更多个发送天线217。如果发送信号115遇到物体140，则通过接收天线227将所得反射信号117接收到接收部分220中。在替代实施例中，两个或更多个接收天线227可以是接收部分220的一部分。如前所述，可以通过雷达系统110内的处理电路、通过控制器120或通过两者的组合来处理反射信号117。
图3是根据示例性一个或多个实施例的雷达系统110中的基于芯片的发送信道架构的框图。示出了生成发送信号115的RF前端215的示例性实施例。示出的部件包括分离器310、四个上转换部分320、四个放大部分330和组合器340。这些部件增加输入信号RF_in的频率以产生输出信号RF_out作为发送信号115。输入信号RF_in可以约为76GHz至80GHz，这是自动雷达应用的典型发送频率。根据图3所示的实施例，输入信号RF_in的信号强度超过互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的功率极限，其相对于一毫瓦约为0至2分贝(dBm)。功率极限与CMOS芯片的击穿电压极限有关。可以从以下事实得出功率极限：CMOS晶体管的输入端子(栅极)和输出端子(漏极)之间的差不能超过1伏。根据替代实施例，可以使用表现出类似极限以必须使用分离器310和组合器340的其他半导体技术。
输入信号RF_in的信号强度例如可以是6dBm。由于上转换部分320和放大部分330被制造为一个或多个CMOS晶体管，所以输入信号RF_in被分离以减小提供给每个上转换部分320的信号强度，如图所示。在图3所示的示例性情况下，使用分离器310将输入信号RF_in分离至四个信道，但基于其信号强度，可以将输入信号RF_in分离为更多或更少的信道。在示例性情况下，分离器310例如是四路微型同轴电缆分离器。分离器310不包括任何具有功率极限的有源设备。在将信号强度为6dBm的输入信号RF_in分离到四个信道中的示例性情况下，每个信道接收功率的四分之一或0dBm。
每个上转换部分320在每个乘法器325的输入和输出两者处包括乘法器325和ESD设备327。乘法器325不限于特定值。例如，乘法器325可以将输入信号RF_in的频率增至三倍(即n＝3)，以产生较高频率中间信号HF。因此，对于输入信号RF_in的示例性频率范围76GHz至80GHz对于中间信号HF可被上转换为228GHz至240GHz。ESD设备327可以不是具有二极管和施加负载并限制频率性能的其他部件的电路。替代地，ESD设备327可被实现为短截线，其是具有设计用于特定频率范围的尺寸的金属层，使得仅该特定频率范围内的信号不接地。
即，ESD设备327可以用作使特定频率范围通过的带通滤波器。在示例性情况下，在每个乘法器355的输入处的ESD设备327使包括76GHz至80GHz的频率范围通过，并且在每个上转换部分320的每个乘法器355的输出处的ESD设备327使包括228GHz至240GHz的频率范围通过。与在上转换部分320的输入处的信号强度相比，乘法器325导致的损耗降低了在上转换部分320的输出处的信号强度。该损耗可以为约10dB。在上转换部分320的输入处的0dBm信号强度的示例性情况下，上转换部分320的输出处的信号强度为-10dBm。因此，放大部分230跟随上转换部分320。
每个放大部分330包括在输入和输出处具有ESD设备327的功率放大器335。与在乘法器325的输入和输出处的ESD设备327不同，在功率放大器335的输入和输出处的ESD设备327针对相同的频率范围(中间信号HF的范围)进行调谐。虽然每个放大部分330被示出为具有一个功率放大器335，但在每个放大部分330中的链中可以包括两个或更多个功率放大器335。每个放大部分330所需的放大以及因此所需的功率放大器335的数量可以通过从输出信号RF_out的期望信号强度向后工作来选择。
通常，对于作为发送信号115发射的输出信号RF_out，可能需要约为6dBm的信号强度。该信号强度对应于约为100米的检测范围。因此，如前所述，可以确定每个放大部分330所需的最小放大。该最小放大必须考虑后续的组合器340。根据示例性实施例，每个组合器340是四路微型同轴电缆组合器。用于组合器340和先前提到的分离器310的示例性微型同轴电缆可以是倒置的微带和倒置的捕获接地共面波导。由于电路的封装，这种微型同轴电缆使互连对任何未知的填充材料不敏感，从而保持信号完整性，尤其是在工作频率下。微型同轴电缆还消除了辐射和外部干扰的风险，并改善了信号线和设备之间的隔离性能。该组合器340在每个放大部分330的输出处聚集信号功率，但是自身会引入一些损耗。在组合器340组合四个信道的示例性情况下，在每个放大部分330的输出处的信号强度必须超过0dBm，以使输出信号RF_out具有至少6dBm的信号功率。
即，为了使信号强度的四倍至少为6dBm(即在一个放大部分330的输出处的信号强度增加6dBm)，在每个放大部分330的输出处的信号强度必须大于0dBm以考虑到组合器340中的损耗。每个功率放大器335可以使信号强度增加10dB。因此，假设中间信号HF的示例性信号强度为-10dBm，则如果组合器340的损耗可忽略不计，放大部分330的0dBm输出(一个功率放大器335的增益为10dBm)将为输出信号RF_out提供约6dBm信号强度。
图4是根据另外的示例性一个或多个实施例的雷达系统110中的基于芯片的发送信道架构的框图。与图3相比，RF前端215的不同示例性实施例在图4中示出。在图4所示的示例性实施例中，单个上转换部分410用于增加输入信号RF_in的频率以产生中间信号HF。分离器310跟随上转换部分410，并且将输入提供给参考图3描述的四个放大部分330，这里不再赘述。还如参考图3所指出，每个放大部分330的输出由组合器340聚集，以获得要作为发送信号115发射的输出信号RF_out。
单个上转换部分410假定输入信号RF_in的信号强度不超过包括上转换部分410的CMOS晶体管的极限。如参照图3所指出，乘法器325引入的损耗相对于输入信号RF_in的信号强度降低了中间信号HF的信号强度。因此，根据图4所示的实施例，上转换部分410包括功率放大器335。本质上，上转换部分410中包括的功率放大器335恢复丢失到乘法器325的信号强度。
尽管已经参考示例性实施例描述了以上公开，但本领域技术人员将理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物代替其要素。另外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可以做出许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，意图是本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。
Claims (10)
1.一种雷达系统，包括：
发送部分，其配置为发射发送信号；
发送部分的基于芯片的前端部分，其配置为增加输入信号的频率以产生中间信号并放大该中间信号的信号强度以产生发送信号，输入信号的频率在76千兆赫(GHz)至80GHz的范围内；以及
接收部分，其配置为接收由物体反射发送信号而产生的反射信号。
2.根据权利要求1所述的雷达系统，其中，所述前端部分包括三倍乘法器，以增加输入信号的频率并产生频率范围为228GHz至240GHz的中间信号，并且所述中间信号被分离以向两个或更多个信道提供输入，两个或更多个信道中的每个包括功率放大器，以放大所述输入的信号强度并提供放大的输出，并且两个或更多个信道中的每个的放大的输出被组合以提供发送信号。
3.根据权利要求1所述的雷达系统，其中，所述前端部分包括分离器，以将输入信号分离为至两个或更多个信道中的每个的输入，两个或更多个信道中的每个包括乘法器以增加至信道的输入的频率并生成中间信号，两个或更多个信道中的每个包括功率放大器，以放大信道的中间信号的信号强度并产生放大的信号，并且所述前端部分包括组合器，以组合两个或更多个信道中的每个的放大的信号以提供发送信号。
4.根据权利要求1所述的雷达系统，其中，所述前端部包括两个或更多个静电放电(ESD)设备，两个或更多个ESD设备中的每个充当用于一频率范围的带通滤波器，并且两个或更多个ESD设备中的至少一个使输入信号的频率通过，并且两个或更多个ESD设备中的至少另一个使中间信号的频率通过。
5.根据权利要求1所述的雷达系统，其中，所述雷达系统设置在车辆中，并且通过处理反射信号而获得的信息用于控制车辆的操作。
6.一种组装雷达系统的方法，所述方法包括：
形成发送部分，以发射发送信号；
制造发送部分的基于芯片的前端部分，以增加输入信号的频率以产生中间信号并放大该中间信号的信号强度以产生发送信号，输入信号的频率在76千兆赫(GHz)至80GHz的范围内；以及
形成接收部分，以接收由物体反射发送信号而产生的反射信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，制造所述前端部分包括制造三倍乘法器，以增加输入信号的频率并产生频率范围为228GHz至240GHz的中间信号，并且布置无源分离器，以分离所述中间信号并且向两个或更多个信道提供输入，制造两个或更多个信道中的每个中的功率放大器，以放大所述输入的信号强度并提供放大的输出，并且布置组合器，以组合两个或更多个信道中的每个的放大的输出以提供发送信号。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，制造所述前端部分包括布置分离器，以将输入信号分离为至两个或更多个信道中的每个的输入，制造所述前端部分包括制造两个或更多个信道中的每个中的乘法器，以增加至信道的输入的频率并生成中间信号，制造所述前端部分包括制造两个或更多个信道中的每个中的功率放大器，以放大信道的中间信号的信号强度并产生放大的信号，并且制造所述前端部分包括布置组合器，以组合两个或更多个信道中的每个的放大的信号以提供发送信号。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，制造所述前端部分包括形成两个或更多个静电放电(ESD)设备，以充当用于一频率范围的带通滤波器，并且该形成包括基于所述频率范围来确定两个或更多个ESD设备中的每个的尺寸，形成并设置两个或更多个ESD设备中的至少一个以使输入信号的频率通过，并且形成并设置两个或更多个ESD设备中的至少另一个以使中间信号的频率通过。
10.根据权利要求6所述的方法，还包括将所述雷达系统设置在车辆中，并且通过使用由处理反射信号而获得的信息来控制车辆的操作。
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