CN112491363B - 用于24g雷达芯片信号源的多路信号传输四线圈变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于24G雷达芯片信号源的多路信号传输四线圈变压器，可与电容阵列构成压控振荡器的谐振腔，振荡器再结合缓冲放大器和多相移滤波器，可输出四路差分信号和八路正交信号。采用本发明构成的CMOS全集成压控振荡器，在五个工艺角（TT，FF，SS，FS，SF）下，FMCW模式频率调谐范围达到22.8~24.4GHz，400KHz频偏处相位噪声小于‑80dBc/Hz，输出给发射前端的差分信号峰峰值幅度大于700mV，输出给分频器的差分信号峰峰值幅度大于1V，输出给接收前端的正交信号峰峰值幅度大于300mV，正交精度误差小于3°。

Description

用于24G雷达芯片信号源的多路信号传输四线圈变压器
技术领域
本发明属于毫米波集成电路设计的技术领域，涉及一种基于55nm CMOS工艺，用于24G雷达芯片信号源的高Q值多路信号传输四线圈变压器，可使得仅用单个压控振荡器VCO即可实现四路差分信号和八路正交信号的输出。
背景技术
根据Shannon-Hartley定理，传输信道的最大传输速率即所谓的信道容量C与信道的传输带宽BW以及信号链路的信噪比SNR有关，其关系式如下：
C＝BW·log2(1+SNR) (1)
可见在信噪比SNR一定的前提下，增大带宽可以有效提高信道的传输速率。相对于传统低频波段，毫米波频段(30～300GHz)因其丰富的频谱资源，在24G雷达、5G通信、60G室内高速传输等有着广泛应用。
汽车雷达技术的应用场景主要有：自适应巡航、泊车距离控制、停车位检测、盲区检测、后方车辆警示、紧急制动、开门安全辅助等。到目前为止，汽车雷达系统已建立了相当多的标准。汽车雷达的测速、测距和定位功能等要求通信系统具备毫秒级延时和近100％的可靠性。毫米波频段以其丰富的频谱资源、高的数据传输速率、强抗干扰能力等优点成为高性能汽车雷达的理想选择。与低频雷达相比，毫米波雷达不仅可以提高信息容量，而且更易实现高的检测分辨率和测速灵敏度。
调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)雷达首先对连续波进行频率调制，再利用发射和接收信号之间的频差和相差计算目标的距离和相对速度。由于其具有大带宽、高分辨率、所需发射功率低，不易被截获、系统结构简单、体积小和成本低廉等优点，成为毫米波汽车雷达的优选方案。它主要包括天线、收发机及信号处理模块。其中，收发机是雷达系统的核心，由频率综合器提供可连续调频的本振信号，频率综合器的核心是压控振荡器。
多普勒雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差，称为多普勒频率。根据多普勒频率的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。同时用频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线，滤除干扰杂波的谱线，可使雷达从强杂波中分辨出目标信号。所以多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能力强，能探测出隐蔽在背景中的活动目标。多普勒雷达也需要压控振荡器为其提供本振信号。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于55nm RFCMOS工艺技术，用于24G雷达芯片信号源的高Q值多路信号传输四线圈变压器。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种用于24G雷达芯片信号源的多路信号传输四线圈变压器，它包括：主级线圈Lm、第一次级线圈L1、第二次级线圈L2及第三次级线圈L3，具体形式为：
主级线圈Lm输出第一输出端信号VP和第二输出端信号VN；第一输出端信号VP和第二输出端信号VN通过第一次级线圈L1垂直耦合输出第三输出端信号VPPA和第四输出端信号VNPA，第一输出端信号VP和第二输出端信号VN通过第二次级线圈L2侧边耦合输出第五输出端信号VPPPF1和第六输出端信号VNPPF1，第一输出端信号VP和第二输出端信号VN通过第三次级线圈L3侧边耦合输出第七输出端信号VPPPF2和第八输出端信号VNPPF2。
所述的多路信号传输四线圈变压器，在用于24G雷达芯片信号源时，主级线圈Lm与电容阵列并联构成了雷达芯片中使用的压控振荡器VCO，输出的主路差分信号为第一输出端信号VP和第二输出端信号VN，直接经由一级缓冲放大器C放大后输出为第九输出端信号VPDIV和第十输出端信号VNDIV给分频器；并通过第一次级线圈L1垂直耦合输出为第三输出端信号VPPA和第四输出端信号VNPA；模块A为左侧的多相移滤波器(PPF)及缓冲放大器，将压控振荡器VCO输出的差分信号转为正交信号，输入给左侧的后级混频器I，模块B为右侧的多相移滤波器(PPF)及缓冲放大器，将VCO输出的差分信号转为正交信号，输入给后级混频器II；第一输出端信号VP和第二输出端信号VN通过第二次级线圈L2侧边耦合输出第五输出端信号VPPPF1和第六输出端信号VNPPF1给模块A，再通过模块A输出左侧四路正交信号LO0°_A、LO90°_A、LO180°_A、LO270°_A；第一输出端信号VP和第二输出端信号VN通过第三次级线圈L3侧边耦合输出第七输出端信号VPPPF2和第八输出端信号VNPPF2给模块B，再通过模块B输出右侧四路正交信号LO0°_B、LO90°_B、LO180°_B、LO270°_B。
采用厚度为3.3μm的顶层铜构建主级线圈Lm、厚度为3.3μm的顶层铜和厚度为0.9μm的次顶层铜构成第一次级线圈L1、厚度为0.9μm的次顶层铜构建第二次级线圈L2、厚度为1.7μm的顶层铝构建第三次级线圈L3；主级线圈Lm并联接入压控振荡器谐振腔，三个次级线圈L1、L2、L3对谐振腔Q值的恶化至多50％。
变压器四个线圈输出方向均不同，压控振荡器VCO能够同时对向上的功率放大器、向下的分频器、左侧的混频器I和右侧的混频器II提供本振信号，满足24G雷达芯片一发二收的需求。
本发明的优点在于：
1)四线圈变压器可用于构建毫米波压控振荡器实现多路信号传输
本发明设计了高Q值全集成变压器，主级线圈与变容管阵列构成压控振荡器的谐振腔，压控振荡器的差分输出信号可以直接输出给差分缓冲放大器作为分频器的输入信号；还通过一个与主线圈垂直耦合的次级线圈传输给功率放大器(PA)，作为PA的输入差分信号；压控振荡器的差分输出信号通过两个侧边耦合的次级线圈分别传输给左右两侧的缓冲器，再经过多相移滤波器转换为四路正交信号，作为正交本振信号提供给两侧接收前端的混频器，即共输出八路正交信号。
2)变压器设计方式不显著恶化谐振腔Q值
变压器采用三层顶层厚金属设计，主线圈采用工艺允许最大线宽，减小损耗电阻，三圈次级线圈线宽为主线圈一半，不增大路径损耗的同时与主线圈交叠尽量小，减小后级负载模块对VCO性能的影响。主线圈被包裹在次级线圈中间，次级线圈中心抽头接地，保护主级线圈不受外界因素的干扰。各级线圈输出差分端均做“收腰”处理，更有效减小共模干扰，闭合变压器内部电磁场。
采用本发明构成的CMOS全集成压控振荡器，在五个工艺角(TT，FF，SS，FS，SF)下，FMCW模式频率调谐范围达到22.8～24.4GHz，400KHz频偏处相位噪声小于-80dBc/Hz，输出给发射前端的差分信号峰峰值幅度大于700mV，输出给分频器的差分信号峰峰值幅度大于1V，输出给接收前端的正交信号峰峰值幅度大于300mV，正交精度误差小于3°。
附图说明
图1为本发明使用状态电路图；
图2为本发明3D图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行详细描述。
参阅图2，本发明包括主级线圈Lm、第一次级线圈L1、第二次级线圈L2及第三次级线圈L3，具体形式为：主级线圈Lm输出第一输出端信号VP和第二输出端信号VN；第一输出端信号VP和第二输出端信号VN通过第一次级线圈L1垂直耦合输出第三输出端信号VPPA和第四输出端信号VNPA，第一输出端信号VP和第二输出端信号VN通过第二次级线圈L2侧边耦合输出第五输出端信号VPPPF1和第六输出端信号VNPPF1，第一输出端信号VP和第二输出端信号VN通过第三次级线圈L3侧边耦合输出第七输出端信号VPPPF2和第八输出端信号VNPPF2。
本发明采用厚度为3.3μm的顶层铜(黑色阴影部分)构建主级线圈Lm，厚度为3.3μm的顶层铜(黑色阴影部分)和厚度为0.9μm的次顶层铜(白色透明部分)构成第一次级线圈L1，厚度为0.9μm的次顶层铜构建第二次级线圈L2，厚度为1.7μm的顶层铝构建第三次级线圈L3。
参阅图1，当本发明用于24G雷达芯片信号源时，主级线圈Lm与电容阵列并联构成了雷达芯片中使用的压控振荡器VCO，输出的主路差分信号为第一输出端信号VP和第二输出端信号VN，直接经由一级缓冲放大器C放大后输出为第九输出端信号VPDIV和第十输出端信号VNDIV给分频器；并通过第一次级线圈L1垂直耦合输出为第三输出端信号VPPA和第四输出端信号VNPA；模块A为左侧的多相移滤波器(PPF)及缓冲放大器，将压控振荡器VCO输出的差分信号转为正交信号，输入给左侧的后级混频器I，模块B为右侧的多相移滤波器(PPF)及缓冲放大器，将VCO输出的差分信号转为正交信号，输入给后级混频器II；第一输出端信号VP和第二输出端信号VN通过第二次级线圈L2侧边耦合输出第五输出端信号VPPPF1和第六输出端信号VNPPF1给模块A，再通过模块A输出左侧四路正交信号LO0°_A、LO90°_A、LO180°_A、LO270°_A；第一输出端信号VP和第二输出端信号VN通过第三次级线圈L3侧边耦合输出第七输出端信号VPPPF2和第八输出端信号VNPPF2给模块B，再通过模块B输出右侧四路正交信号LO0°_B、LO90°_B、LO180°_B、LO270°_B。
本发明若主级线圈Lm并联接入压控振荡器谐振腔，次级线圈L1、L2、L3对谐振腔Q值的恶化不超过50％。
本发明的四个线圈输出方向均不同，VCO可同时向上面的功率放大器、下面的分频器、左侧的混频器I和右侧的混频器II提供本振信号，满足24G雷达芯片一发二收的需求。
实施例
24G雷达芯片中有四个模块需要VCO提供本振信号，根据系统设计要求，VCO需要分别向上面的PA和下面的分频器链输出差分信号，向左侧和右侧的混频器输出正交信号，采用本设计变压器的VCO即可同时实现四个不同方向的本振信号输出。参阅图1，根据VCO调谐范围需求和后级负载阻抗设计电容容值变化范围，再根据
Figure GDA0003617905470000041
确定主级线圈Lm感值为128pH。根据VCO到发射前端传输路径和PA输入阻抗，确定次级线圈L1感值为236pH。最后根据VCO到接收前端传输路径和PPF输入阻抗，确定次级线圈L2和L3感值。
本实施例所有器件尺寸见表1。
表1
器件名 尺寸
Lm 128pH
L1 236pH
L2 260pH
L3 256pH

Claims (4)

1.一种用于24G雷达芯片信号源的多路信号传输四线圈变压器，其特征在于，它包括：主级线圈Lm、第一次级线圈L1、第二次级线圈L2及第三次级线圈L3，具体形式为：
主级线圈Lm输出第一输出端信号VP和第二输出端信号VN；第一输出端信号VP和第二输出端信号VN通过第一次级线圈L1垂直耦合输出第三输出端信号VPPA和第四输出端信号VNPA，第一输出端信号VP和第二输出端信号VN通过第二次级线圈L2侧边耦合输出第五输出端信号VPPPF1和第六输出端信号VNPPF1，第一输出端信号VP和第二输出端信号VN通过第三次级线圈L3侧边耦合输出第七输出端信号VPPPF2和第八输出端信号VNPPF2。
2.根据权利要求1所述的多路信号传输四线圈变压器，其特征在于，在用于24G雷达芯片信号源时，主级线圈Lm与电容阵列并联构成了雷达芯片中使用的压控振荡器VCO，输出的主路差分信号为第一输出端信号VP和第二输出端信号VN，直接经由一级缓冲放大器C放大后输出为第九输出端信号VPDIV和第十输出端信号VNDIV给分频器；并通过第一次级线圈L1垂直耦合输出为第三输出端信号VPPA和第四输出端信号VNPA；模块A为左侧的多相移滤波器及缓冲放大器，将压控振荡器VCO输出的差分信号转为正交信号，输入给左侧的后级混频器I，模块B为右侧的多相移滤波器及缓冲放大器，将压控振荡器VCO输出的差分信号转为正交信号，输入给后级混频器II；第一输出端信号VP和第二输出端信号VN通过第二次级线圈L2侧边耦合输出第五输出端信号VPPPF1和第六输出端信号VNPPF1给模块A，再通过模块A输出左侧四路正交信号LO0°_A、LO90°_A、LO180°_A、LO270°_A；第一输出端信号VP和第二输出端信号VN通过第三次级线圈L3侧边耦合输出第七输出端信号VPPPF2和第八输出端信号VNPPF2给模块B，再通过模块B输出右侧四路正交信号LO0°_B、LO90°_B、LO180°_B、LO270°_B。
3.根据权利要求1或2所述的多路信号传输四线圈变压器，其特征在于，采用厚度为3.3μm的顶层铜构建主级线圈Lm、厚度为3.3μm的顶层铜和厚度为0.9μm的次顶层铜构成第一次级线圈L1、厚度为0.9μm的次顶层铜构建第二次级线圈L2、厚度为1.7μm的顶层铝构建第三次级线圈L3；主级线圈Lm并联接入压控振荡器谐振腔，三个次级线圈L1、L2、L3对谐振腔Q值的恶化至多50%。
4.根据权利要求2所述的多路信号传输四线圈变压器，其特征在于，变压器四个线圈输出方向均不同，压控振荡器VCO能够同时对向上的功率放大器、向下的分频器、左侧的混频器I和右侧的混频器II提供本振信号，满足24G雷达芯片一发二收的需求。
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