CN113064148A - 一种单发单收毫米波调频连续波收发系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单发单收毫米波调频连续波收发系统，属于射频收发技术领域。所述收发系统，包括数字接口、SPI接口、DAC1、DAC2、低噪声放大器、压控振荡器、二倍频器、功率放大器、混频器1、混频器2、90°移相器、压控衰减器1、压控衰减器2、发射天线及接收天线；压控振荡器外接锁相环及滤波电路，以提高压控振荡器输出基频的稳定性；发射天线和接收天线布设在氮化镓基材上且采取挖深槽措施，沟槽深度是50um量级，这使得收发天线的隔离度提高10dB。数字接口用于控制压控振荡器、功率放大器、压控衰减器1及压控衰减器2的开启与关闭。所述系统能进一步提高基频的稳定性，且降低了极高频率下的传输损耗；收发隔离度高，因此提高了本系统的检测能力。

Description

一种单发单收毫米波调频连续波收发系统

技术领域

本发明涉及一种单发单收毫米波调频连续波收发系统，属于射频收发技术领域。

背景技术

现有的毫米波雷达系统中心频率有24GHz、77GHz等，目前市场上可见最高频率同类收发芯片中心频率为77GHz，具体频率范围为75GHz-81GHz。针对目前24GHz、77GHz频段拥挤，多设备间相互干扰严重。一方面，中心频率过低，虽然收发系统相对来说容易制作，然而天线尺寸增大，使用不方便，同时也不利于设备便携化及小型化。因此，需要探索中心频率更高的毫米波收发设备。然而，中心频率越高，制作难度越大。另一方面，芯片体积较大，难以满足微型精确测距系统的体积约束。然而，制作小型收发设备，难度很大，具体涉及到各类电路之间的信号传输与约束，例如：压控振荡器、混频以及倍频等电路的噪声抑制与交调失真消除。

本申请致力于研究120GHz中心频率波段，满足微型精确测距系统体积约束及干扰抑制需求的微型毫米波调频连续波收发系统。

发明内容

本发明的目的在于针对目前24GHz、77GHz频段拥挤，收发设备体积较大且设备间存在严重的相互干扰，难以满足微型精确测距系统体积约束的技术现状，提出了一种单发单收毫米波调频连续波收发系统。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

所述单发单收毫米波调频连续波收发系统，包括数字接口、SPI接口、DAC1、DAC2、低噪声放大器、压控振荡器、二倍频器、功率放大器、混频器1、混频器2、90°移相器、压控衰减器1、压控衰减器2、发射天线以及接收天线；

其中，压控振荡器外接锁相环以及滤波电路，以提高压控振荡器输出基频的稳定性；

发射天线和接收天线采用AOC封装；且发射天线和接收天线布设在氮化镓基材上，封装在所述的收发系统内部，降低了本振的传输损耗；

其中，AOC封装，即片上天线封装，全称为：Antenna on Chip；

发射天线与接收天线周边的氮化镓基材采取挖深槽措施，沟槽深度是50um量级，这使得收发天线的隔离度提高10dB；

压控衰减器1输出I路中频，压控衰减器2输出Q路中频；

所述单发单收毫米波调频连续波收发系统中各模块的连接关系如下：

数字接口与压控振荡器、功率放大器、压控衰减器1以及压控衰减器2相连，SPI接口分别与DAC1和DAC2相连，低噪声放大器分别与接收天线以及混频器1和混频器2相连，DAC1与压控振荡器相连，压控振荡器与二倍频器相连；二倍频器分别与90°移相器以及混频器1相连，接收天线与低噪声放大器相连；低噪声放大器分别与混频器1和混频器2相连，90°移相器分别与二倍频器、混频器1以及混频器2相连；混频器1与低噪声放大器、二倍频器以及压控衰减器1相连；混频器2分别与低噪声放大器、90°移相器以及压控衰减器2相连。

所述单发单收毫米波调频连续波收发系统的信号传输关系如下：

数字接口的信息传输给压控振荡器、功率放大器、压控衰减器1及压控衰减器2；DAC2将从SPI接口传来的数字信息转换为模拟信息2；DAC1将从SPI接口传来的数字信息转换为模拟信息1；模拟信息1控制压控振荡器输出基频；基频经二倍频器倍频输出载波信号，载波信号经过功率放大器经发射天线发出；接收天线收到的信号经低噪声器放大后，经过混频器1与载波进行混频和滤波后，输出混频后信号1，DAC2输出的模拟信号2与混频后信号1输入压控衰减器1中，输出I路中频信号；与此同时，接收天线收到的信号经低噪声器放大后，经过混频器2与载波经90°移相器输出后的正交本振进行混频和滤波后，输出混频后信号2，DAC2输出的模拟信号2与混频后信号2输入压控衰减器2中，输出Q路中频信号；

所述单发单收毫米波调频连续波收发系统中各部件的功能如下：

数字接口用于控制压控振荡器、功率放大器、压控衰减器1及压控衰减器2的开启与关闭；SPI接口将接收的数字信息分别传输给DAC1和DAC2，DAC2和DAC1的功能是将传来的数字信息转换为模拟信息；压控振荡器的功能是输出基频；二倍频器的功能是将基频进行二倍频输出射频信号，功率放大器将射频信号进行放大；发射天线发出放大后的射频信号；低噪声放大器用于放大接收天线收到的信号，混频器1和混频器2的功能是混频；压控衰减器1和压控衰减器2的功能是受控输出电压信号。

有益效果

所述一种单发单收毫米波调频连续波收发系统，与现有收发系统相比，具有如下有益效果：

1.所述系统中压控振荡器对外输出的引脚通过外接锁相环芯片和锁相滤波电路，进一步提高基频的稳定性；

2.所述系统的发收天线直接布设在氮化镓基材上，并封装在系统内部，降低了122GHz极高频率下的传输损耗；

3.所述系统天线的沟槽深度是常规单发单收毫米波调频连续波收发系统中天线沟槽的3-5倍，使得收发隔离度提高10dB，提高了本接收系统的检测能力。

附图说明

图1为本发明一种单发单收毫米波调频连续波收发系统的组成结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种单发单收毫米波调频连续波收发系统进行详细阐述。

实施例1

具体实施时，图1为本发明一种单发单收毫米波调频连续波收发系统的组成结构示意图。

其中，数字接口用于控制所述单发单收毫米波调频连续波收发系统中的控制压控振荡器、功率放大器、压控衰减器1以及压控衰减器2是否开启，例如：控制压控振荡器是否启振，控制压控衰减器是否起作用，控制功率放大器的开启和关闭。

发射天线T和接收天线R采用AOC封装(Antenna on Chip，片上天线封装)，且发射天线T和接收天线R统称为射频天线。

具体实施时，射频天线直接布设在氮化镓基材上，并封装在“单发单收毫米波调频连续波收发系统”内部，降低了二倍频后生成的122GHz射频信号的传输损耗。

具体实施时，压控振荡器输出的基频为61GHz，为提高系统抗干扰能力和射频性能，压控振荡器通过vtune引脚输出61GHz的基频，通过外接锁相环芯片和锁相滤波电路，提高61GHz中心频率的稳定性；

为进一步提高收发天线隔离度以及提高接收系统检测能力，所述系统具体实施时，封装为芯片，该芯片中的发射天线与接收天线周边的氮化镓基材采取了挖深槽措施，沟槽深度是一般芯片沟槽的3-5倍，收发隔离度提高10dB。

系统内的压控振荡器在vtune引脚上随输入电压控制，产生61GHz的基准频率信号，具体为:如果在vtune引脚加上随着时间变化的电压，就能在VCO上得到随时间线性变化的频率。该信号经过二倍频，得到中心频率为122GHz的W波段毫米波信号。该信号通过发射天线Tx被辐射出去。接收天线收到的信号通过Rx送回本系统；再经0°-90°移相，送入IQ正交混频器进行混频，得到基带IQ双路信号。混频使用的本振信号就是经过二倍频的122GHz线性调频发射信号，这样不同距离目标反射回接收天线的电磁波，与本振信号之间就存在频率差，频差大小正比于目标与接收天线距离。通过IQ正交混频器混频，得到的信号，就是一个频率与目标距离成正比的IQ双路基带正弦信号。

本系统具体实施时，当需要与外部时钟进行同步时，压控振荡器输出的基准频率信号，经16分频，得到3.8GHz左右的信号，与外参考信号通过锁相环进行锁相，从而达到相参。为判断射频链路是否正常工作，系统中包含相位检波器模块，通过发射链路耦合一部分发射能量，进行判断。

具体实施时，外部数字系统可通过SPI接口对DAC1和DAC2进行控制。其中，DAC1产生的控制电压用于控制本系统内的压控振荡器(VCO)工作；当SPI接口输入随时间线性变化的数字编码，将在DAC1输出端产生随时间线性变化的锯齿波电压，从而控制VCO产生线性调频信号。该信号的中心频率为61GHz，带宽可达±1GHz。该信号送往二倍频器进行倍频，从而产生中心频率122GHz，带宽4GHz的线性调频信号(W波段)。该信号经过功率放大后，通过芯片内天线发射出去。辐射信号经过外部物体反射，被芯片内的接收天线接收，经过低噪声放大器放大后，送往两个混频器。混频器的本振信号来自压控振荡器，其中一路与发射信号同相位，另一路通过90°移相器与发射信号正交。经过混频后，将得到中心频率为61GHz的一系列正弦信号，信号的频率与目标距离本系统的远近有关，距离越远，频率越高。该中频信号送往压控衰减器进行中频增益控制，从而输出两路中频信号：I路中频(同相中频)，Q路中频(正交中频)。这两路中频信号从本系统输出后，被本系统外的高速运放进一步放大，并进行带通ADC数模变换采样，从而得到数字中频信号，进行进一步的信号处理。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种单发单收毫米波调频连续波收发系统，其特征在于：包括数字接口、SPI接口、DAC1、DAC2、低噪声放大器、压控振荡器、二倍频器、功率放大器、混频器1、混频器2、90°移相器、压控衰减器1、压控衰减器2、发射天线以及接收天线；

压控衰减器1输出I路中频，压控衰减器2输出Q路中频；

所述单发单收毫米波调频连续波收发系统中各模块的连接关系如下：

数字接口与压控振荡器、功率放大器、压控衰减器1以及压控衰减器2相连，SPI接口分别与DAC1和DAC2相连，低噪声放大器分别与接收天线以及混频器1和混频器2相连，DAC1与压控振荡器相连，压控振荡器与二倍频器相连；二倍频器分别与90°移相器以及混频器1相连，接收天线与低噪声放大器相连；低噪声放大器分别与混频器1和混频器2相连，90°移相器分别与二倍频器、混频器1以及混频器2相连；混频器1与低噪声放大器、二倍频器以及压控衰减器1相连；混频器2分别与低噪声放大器、90°移相器以及压控衰减器2相连；

所述单发单收毫米波调频连续波收发系统中各部件的功能如下：

数字接口用于控制压控振荡器、功率放大器、压控衰减器1及压控衰减器2的开启与关闭；SPI接口将接收的数字信息分别传输给DAC1和DAC2，DAC2和DAC1的功能是将传来的数字信息转换为模拟信息；压控振荡器的功能是输出基频；二倍频器的功能是将基频进行二倍频输出射频信号，功率放大器将射频信号进行放大；发射天线发出放大后的射频信号；低噪声放大器用于放大接收天线收到的信号，混频器1和混频器2的功能是混频；压控衰减器1和压控衰减器2的功能是受控输出电压信号。

2.根据权利要求1所述的一种单发单收毫米波调频连续波收发系统，其特征在于：压控振荡器外接锁相环以及滤波电路，以提高压控振荡器输出基频的稳定性。

3.根据权利要求2所述的一种单发单收毫米波调频连续波收发系统，其特征在于：发射天线和接收天线采用AOC封装；

其中，AOC封装，即片上天线封装，全称为：Antenna on Chip。

4.根据权利要求3所述的一种单发单收毫米波调频连续波收发系统，其特征在于：发射天线和接收天线布设在氮化镓基材上，封装在所述的收发系统内部，降低了本振的传输损耗。

5.根据权利要求4所述的一种单发单收毫米波调频连续波收发系统，其特征在于：发射天线与接收天线周边的氮化镓基材采取挖深槽措施，沟槽深度是50um量级。

6.根据权利要求5所述的一种单发单收毫米波调频连续波收发系统，其特征在于：数字接口的信息传输给压控振荡器、功率放大器、压控衰减器1及压控衰减器2。

7.根据权利要求6所述的一种单发单收毫米波调频连续波收发系统，其特征在于：DAC2将从SPI接口传来的数字信息转换为模拟信息2；DAC1将从SPI接口传来的数字信息转换为模拟信息1。

8.根据权利要求7所述的一种单发单收毫米波调频连续波收发系统，其特征在于：模拟信息1控制压控振荡器输出基频；基频经二倍频器倍频输出载波信号，载波信号经过功率放大器经发射天线发出。

9.根据权利要求8所述的一种单发单收毫米波调频连续波收发系统，其特征在于：接收天线收到的信号经低噪声器放大后，经过混频器1与载波进行混频和滤波后，输出混频后信号1，DAC2输出的模拟信号2与混频后信号1输入压控衰减器1中，输出I路中频信号；与此同时，接收天线收到的信号经低噪声器放大后，经过混频器2与载波经90°移相器输出后的正交本振进行混频和滤波后，输出混频后信号2，DAC2输出的模拟信号2与混频后信号2输入压控衰减器2中，输出Q路中频信号。

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