CN113196672B - 基于多频段雷达感测的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于多频段雷达感测的装置、系统和方法。在一个实施例中，一种集成电路装置包括：发射组件和接收组件；低频段发射接口，其被连接以输出低频段频率的第一信号；高频段发射接口，其被连接以输出高频段频率的第二信号；低频段接收接口，其被连接以接收低频段频率的第三信号；高频段接收接口，其被连接以接收高频段频率的第四信号；以及混频器，其被连接以将所述低频段频率的第一信号上变频为所述高频段频率的第二信号，以从所述高频段发射接口发射，并将在所述高频段接收接口上接收的所述高频段频率的第四信号下变频为低频段频率的第五信号，其中所述上变频和下变频是使用变频频率的变频信号来实现的。

Description

基于多频段雷达感测的系统和方法
背景技术
雷达探测包括发射电磁能和接收发射电磁能的反射部分。在雷达系统中发射电磁能的技术包括脉冲、啁啾和步进频率技术。步进频率雷达传统上是通过使用相同的步长在相同的频率范围内重复扫描来实现的。例如，在相同频率范围内，具有相同步长和相同步数的步进频率脉冲的频率突发不断重复以实现步进频率雷达。虽然传统的步进频率雷达工作良好，但仍需要扩展步进频率雷达的能力。
发明内容
公开了用于多频段雷达感测的装置、系统和方法。在一个实施例中，一种集成电路装置包括：发射组件和接收组件；至少一个低频段发射接口，其连接到第一发射组件以输出低频段频率的第一信号；至少一个高频段发射接口，其连接到第二发射组件以输出高频段频率的第二信号；至少一个低频段接收接口，其连接到第一接收组件以接收低频段频率的第三信号；至少一个高频段接收接口，其连接到第二接收组件以接收高频段频率的第四信号；以及混频器，其被连接以将所述低频段频率的第一信号上变频为所述高频段频率的第二信号，以从所述高频段发射接口发射，并将在所述高频段接收接口上接收的所述高频段频率的第四信号下变频为低频段频率的第五信号，其中所述上变频和下变频是使用变频频率的变频信号来实现的。在一个实施例中，所述低频段频率在2-6GHz的范围内，所述高频段频率在122-126GHz的范围内，并且所述变频频率为120GHz。在另一实施例中，所述低频段频率在2-6GHz的范围内，所述高频段频率在22-26GHz的范围内，并且所述变频频率为20GHz。
在一个实施例中，所述集成电路装置还包括第二接收混频器，其被连接以使用中频对所述低频段频率的第一信号进行上变频，以输出所述低频段频率加上中频的第六信号。在另一个实施例中，所述集成电路装置还包括第三接收混频器，其被连接以使用所述低频段频率加上中频的第六信号对所述低频段频率的第三信号和所述高频段频率的第五信号进行下变频，以生成中频的第七信号。
公开了集成电路装置的另一个实施例。集成电路装置包括：发射组件和接收组件；至少一个低频段发射接口，其连接到第一发射组件以输出低频段频率的第一信号；至少一个高频段发射接口，其连接到第二发射组件以输出高频段频率的第二信号；至少一个低频段接收接口，其连接到第一接收组件以接收低频段频率的第三信号；至少一个高频段接收接口，其连接到第二接收组件以接收高频段频率的第四信号；以及用于将所述低频段频率的第一信号上变频为所述高频段频率的第二信号，以从所述高频段发射接口发射，并将在所述高频段接收接口上接收的所述高频段频率的第四信号下变频为低频段频率的第五信号的装置，其中所述上变频和下变频是使用变频频率的变频信号来实现的。
公开了集成电路装置的另一个实施例。集成电路装置包括：发射组件和接收组件；至少一个低频段发射接口，其连接到第一发射组件以输出低频段频率的第一信号；至少一个高频段发射接口，其连接到第二发射组件以输出高频段频率的第二信号；至少一个低频段接收接口，其连接到第一接收组件以接收低频段频率的第三信号；至少一个高频段接收接口，其连接到第二接收组件以接收高频段频率的第四信号；发射混频器，其被连接以将所述低频段频率的第一信号上变频为所述高频段频率的第二信号，以从所述高频段发射接口发射；以及接收混频器，其被连接以将在所述高频段接收接口上接收的所述高频段频率的第四信号下变频为低频段频率的第五信号，其中所述发射混频器和接收混频器连接，以接收变频频率的变频信号。
公开了集成电路装置的另一个实施例。集成电路装置包括：发射组件和接收组件；至少一个低频段发射接口，其连接到第一发射组件以输出低频段频率的第一信号；至少一个中频发射接口，其连接到第二发射组件以输出中频的第二信号；至少一个高频段发射接口，其连接到第三发射组件以输出高频段频率的第三信号；至少一个低频段接收接口，其连接到第一接收组件以接收低频段频率的第四信号；至少一个中频接收接口，其连接到第二接收组件以接收中频的第五信号；至少一个高频段接收接口，其连接到第三接收组件以接收高频段频率的第六信号；以及混频器，其被连接以将所述低频段频率的第一信号上变频为所述中频的第二信号，以从所述中频发射接口发射，将所述低频段频率的第一信号上变频为所述高频段频率的第三信号，以从所述高频段发射接口发射，将在所述中频接收接口接收的所述中频的第五信号下变频为低频段频率的第七信号，并将在所述高频段接收接口接收的所述高频段频率的第六信号下变频为低频段频率的第八信号，其中与所述中频对应的上变频和下变频使用第一变频频率的变频信号来实现，并且其中与所述高频段频率对应的上变频和下变频使用第二变频频率的变频信号来实现。
公开了RF系统的一个实施例。RF系统包括RF IC装置，该装置包括：发射组件和接收组件；至少一个低频段发射接口，其连接到第一发射组件以输出低频段频率的第一信号；至少一个高频段发射接口，其连接到第二发射组件以输出高频段频率的第二信号；至少一个低频段接收接口，其连接到第一接收组件以接收低频段频率的第三信号；至少一个高频段接收接口，其连接到第二接收组件以接收高频段频率的第四信号；以及混频器，其被连接以将所述低频段频率的第一信号上变频为所述高频段频率的第二信号，以从所述高频段发射接口发射，并将在所述高频段接收接口上接收的所述高频段频率的第四信号下变频为低频段频率的第五信号，其中所述上变频和下变频是使用转换频率的变频信号来实现的；低频段发射天线，其连接到所述至少一个低频段发射接口并调谐至低频段频率；高频段发射天线，其连接到所述至少一个高频段发射接口并调谐至高频段频率；低频段接收天线，其连接到所述至少一各低频段接收接口并调谐至低频段频率；以及高频段接收天线，其连接到所述至少一个高频段接收接口并调谐至高频段频率。
公开了一种用于操作IC装置的方法。设置所述IC装置的配置，以从低频段操作模式和高频段操作模式的可用选项中进行选择；当所述IC装置的配置被设置为所述低频段操作模式时，以低频段频率发射和接收射频(RF)信号；并且当所述IC装置的配置被设置为所述高频段操作模式时，以高频段频率发射和接收RF信号，其中以所述高频段频率发射RF信号包括将所述低频段频率的第一信号上变频为所述高频段频率的第二信号，并且其中以所述高频段频率接收RF信号包括将所述高频段频率的第三信号下变频为所述低频段频率的第四信号，其中所述上变频和下变频是使用变频频率的变频信号来实现的。
在一个实施例中，所述方法还包括用中频上变频所述低频段频率的第一信号，以输出所述低频段频率加上中频的第五信号。在一个实施例中，所述方法还包括使所述低频段频率加上中频的第五信号对所述低频段频率的第六信号和所述低频段频率的第四信号进行下变频，以生成中频的第七信号。
公开了用于操作IC装置的方法的另一个实施例。设置所述IC装置的配置，以从低频段操作模式和高频段操作模式的可用选项中进行选择；当所述IC装置的配置被设置为所述低频段操作模式时，以低频段频率发射和接收射频(RF)信号；其中RF信号是从所述IC装置的低频段发射接口发射的，并且其中RF信号是在所述IC装置的低频段接收接口接收的；并且当所述IC装置的配置被设置为所述高频段操作模式时，以高频段频率发射和接收RF信号，其中以所述高频段频率发射RF信号包括将所述低频段频率的第一信号上变频为所述高频段频率的第二信号，并且其中以所述高频段频率接收RF信号包括将所述高频段频率的第三信号下变频为所述低频段频率的第四信号，其中所述高频段频率的RF信号是从所述IC装置的高频段发射接口发射的，并且其中所述高频段频率的RF信号是在所述IC装置的高频段接收接口接收的，并且其中所述上变频和下变频是使用变频频率的变频信号来实现的。
公开了一种用于操作RF系统的方法。设置所述IC装置的配置，以从低频段操作模式和高频段操作模式的可用选项中进行选择；当所述IC装置的配置被设置为所述低频段操作模式时，以低频段频率发射和接收射频(RF)信号；其中RF信号是从所述IC装置的低频段发射接口发射的，并且其中RF信号是在所述IC装置的低频段接收接口接收的；并且当所述IC装置的配置被设置为所述高频段操作模式时，以高频段频率发射和接收RF信号，其中以所述高频段频率发射RF信号包括将所述低频段频率的第一信号上变频为所述高频段频率的第二信号，并且其中以所述高频段频率接收RF信号包括将所述高频段频率的第三信号下变频为所述低频段频率的第四信号，其中所述高频段频率的RF信号是从所述IC装置的高频段发射接口发射的，并且其中所述高频段频率的RF信号是在所述IC装置的高频段接收接口接收的，并且其中所述上变频和下变频是使用变频频率的变频信号来实现的。
根据本发明的其他方面将通过以下结合附图的详细描述变得显而易见，附图通过本发明原理的示例来说明。
附图说明
图1描绘了传感器系统的实施例的功能框图，该传感器系统利用毫米范围无线电波来监测诸如人的血糖水平之类的健康参数。
图2A描绘了图1的传感器系统的部分的实施例的放大图，包括RF前端的元件。
图2B说明了处于低频段操作模式的图2A的传感器系统。
图2C说明了处于高频段操作模式的图2A的传感器系统。
图3描绘了图6中所示的IF/BB组件的实施例。
图4描绘了多频段传感器系统的实施例，该系统被配置为在2-6GHz的低频段和22-26GHz的高频段发射和接收RF能量。
图5描绘了多频段传感器系统的实施例，该系统被配置为在2-6GHz的低频段、22-26GHz的中频段和122-126GHz的高频段发射和接收RF能量。
图6描绘了多频段传感器系统的实施例，其中RF前端的组件被合并到单个RF IC装置中。
图7描绘了如图2A-2C和图6所示的系统，其中RF IC装置的边界用实线框标识。
图8A–8C描绘了用于在雷达系统中发射电磁能量的脉冲、啁啾和步进频率技术的频率-时间关系图。
图9描绘了使用步进频率发射的电磁能突发。
图10A描绘了在122-126GHz的频率范围内发射的电磁能量的发射带宽B的图。
图10B描绘了具有重复间隔T和步长Δf的62.5MHz的步进频率脉冲的图。
图11A描绘了发射脉冲的频率与时间关系图，其中发射(TX)间隔和接收(RX)间隔相对于脉冲被识别。
图11B描绘了对应于图16A的发射波形的振幅与时间关系图。
图12说明了与传感器系统操作的发射、接收和处理阶段相关的操作。
图13是用于操作集成电路装置的方法的过程流程图。
在整个说明书中，可以使用相似的附图标记来识别相似的元件。
具体实施方式
很容易理解的是，本文一般描述的和在附图中示出的实施例的组件可以以多种不同的配置来布置和设计。因此，以下对图中所表示的各种实施例的更详细描述，并不是为了限制本公开的范围，而只是代表各种实施例。虽然实施例的各个方面都在附图中呈现，但除非特别指明，否则附图不一定按比例绘制。
本发明可以在不背离其精神或基本特征的情况下以其他具体形式体现。所描述的实施例在所有方面都应被视为只是说明性的，而不是限制性的。因此，本发明的范围是由所附的权利要求而不是本详细说明来说明的。在权利要求的含义和等效范围内的所有变化都将被纳入其范围。
本说明书中提到的特征、优点或类似的语言并不意味着本发明可以实现的所有特征和优点都应该是或存在于本发明的任何单个实施例中。相反，提及特征和优点的语言被理解为意味着与某一实施例相关的具体特征、优点或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，本说明书中对特征和优点的讨论以及类似的语言可以，但不一定是指同一个实施例。
此外，所描述的本发明的特征、优点和特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施例中。根据本文的描述，本领域技术人员将认识到，可以在没有特定实施例的一个或多个特定特征或优点的情况下实施本发明。在其他情况下，在某些实施例中可以认识到额外的特征和优点，这些额外的特征和优点可能不存在于本发明的所有实施例中。
在本说明书中提到“一个实施例”、“一种实施例”或类似的语言，意味着与所述实施例有关的特定特征、结构或特征包括在本发明的至少一个实施例中。因此，本说明书中的短语“在一个实施例中”、“在一种实施例中”和类似的语言可以，但不一定都是指同一个实施例。
雷达感测包括发射电磁能和接收发射电磁能的反射部分。在雷达系统中发射电磁能的技术包括脉冲、啁啾和步进频率技术。步进频率雷达传统上是通过使用相同的步长在相同的频率范围内重复扫描来实现的。根据本发明的一个实施例，基于雷达的感测技术涉及在单个集成电路(IC)装置中通过使用变频信号在低频段和高频段实现基于雷达的步进频率感测，方法是将低频段发射信号上变频为高频段发射信号，并将高频段接收信号下变频为低频段接收信号。使用变频信号进行上变频和下变频可以在单个IC装置上有效地实现低频段和高频段操作模式。例如，某些射频(RF)组件可用于低频段和高频段操作模式，从而有效利用宝贵的IC装置空间。此外，使用变频信号可以从低频段和高频段有效地多级下变频到中频，这对模数转换来说是可取的。在一个实施例中，一种集成电路装置包括发射混频器和接收混频器，二者都被馈入相同的变频信号，其中发射混频器将低频段信号上变频为高频段信号，以从特定频段天线传输，并且其中接收混频器将特定频段天线上接收的高频段信号下变频为低频段信号，然后进一步下变频为中频。在一个实施例中，低频段在2-6GHz范围内，高频段在122-126GHz范围内，变频信号为120GHz。在另一实施例中，低频段在2-6GHz的范围内，高频段在22-26GHz的范围内，并且变频信号为20GHz。使用发射和接收混频器和变频信号可以实现高度集成的多频段射频集成电路装置，该装置可以用来实现基于多频段步进频率雷达的传感器系统。在一个实施例中，基于步进频率雷达的传感器系统可用于健康参数监测(例如，血糖、心率和/或血压)，并且在另一个实施例中，基于步进频率雷达的传感器系统可用于安全应用，包括例如武器检测。
图1描绘了传感器系统110的实施例的功能框图，该传感器系统110利用RF波来实现能够在不同频段上操作的步进频率雷达感测。传感器系统包括发射(TX)天线140和142、接收(RX)天线144和146、RF前端148、数字基带系统150和CPU 152。传感器系统的组件可以以各种方式集成在一起。例如，一些组件的组合可以在相同的半导体衬底上制造和/或包括在相同的封装IC装置中，或封装IC装置的组合中。如上所述，在一个实施例中，传感器系统被设计成在至少两个不同的频段中发射和接收无线电波，例如，2-6GHz频段和122-126GHz频段。在整个描述中，频段，例如2-6GHz和122-126GHz频段也可以被称为频率范围或简单地称为“频段”。
在图1的实施例中，传感器系统110包括被调谐用于2–6GHz频率范围(其可被称为“低频段”)的两个TX天线140和四个RX天线144，以及被调谐用于122–126GHz频率范围(其可被称为“高频段”)的两个TX天线142和四个RX天线146。虽然每个不同的频段使用两个TX天线和四个RX天线，但在其他实施例中，可以有另一种数量的天线，例如，每个频段有一个或多个TX天线和两个或更多个RX天线。在一个实施例中，天线被配置为在相应的频率范围内发射和接收RF波。例如，低频段天线被配置为发射和接收2-6GHz频段的RF波，例如，波长在150-50毫米范围内，高频段天线被配置为发射和接收122-126GHz频段的RF波，例如，波长在2.46-2.38毫米范围内。
在图1的实施例中，RF前端148包括发射(TX)组件154、接收(RX)组件156、频率合成器158和模拟处理组件160。发射组件可以包括诸如功率放大器和混频器之类的元件。接收组件可以包括诸如低噪声放大器(LNA)、可变增益放大器(VGA)和混频器之类的元件。频率合成器包括以发射和接收组件使用的频率产生电信号的元件。在一个实施例中，频率合成器可以包括诸如电子振荡器(例如，晶体振荡器)、锁相环(PLL)、倍频器(例如，双倍频器)、分频器等元件和/或其组合。模拟处理组件可以包括诸如混频器和滤波器，例如低通滤波器(LPF)之类的元件，。尽管描述了组件的特定组合，但是RF前端可以具有其他元件组合。在一个实施例中，RF前端的组件在硬件上实现为在同一半导体衬底上制造的电子电路。
数字基带系统150包括模数转换器(ADC)162、数字信号处理器(DSP)164和微控制器单元(MCU)166。尽管数字基带系统被示为包括某些元件，但是数字基带系统可以包括一些其他配置，包括一些其他元件组合。数字基带系统经由总线连接到CPU 152。
图2A描绘了图1的传感器系统100的部分的实施例的放大图，包括RF前端148的各种元件。在图2A的实施例中，所述元件包括晶体振荡器270、锁相环(PLL)272、带通滤波器(BPF)274、功率放大器(PA)277、TX天线240、混频器276、功率放大器(PA)278、TX天线242、频率合成器280、双倍频器282、分频器284、混频器286、RX天线246，低噪声放大器(LNA)288、混频器290、RX天线244、LNA 287、混频器292和中频/基带(IF/BB)组件294。如图2A的实施例所示，在虚线框296内标识的接收组件组被重复四次，例如，对于四个不同接收路径中的每一个，重复一次。尽管在图2A的实施例中接收组件组被重复四次，但是接收组件组的其他整数也是可能的。例如，预计在单个IC装置中可以包括1到12组接收组件。
图2A中描绘的传感器系统被配置成能够在两个不同的频段上发射和接收RF能量，例如，具有2-6GHz频率范围的低频段和具有122-126GHz频率范围的高频段。低频段专用的组件包括PA 277和TX天线240，以及RX天线244和LNA 287。高频段专用的组件包括混频器276(也称为“TX混频器”)、PA 278、TX天线242、RX天线246、LNA 288和混频器290(称为“RX混频器”)。在一个实施例中，这些组件对于特定频段是“专用”的，因为这些组件只需要在该特定频段中实现发射和接收操作，而不需要在另一频段中实现发射和接收操作。此外，一些组件对于特定频段是“专用”的，因为这些组件具有针对与特定频段相关联的特定频率/波长而设计的物理特征。例如，众所周知，天线的物理参数被调谐到特定的目标波长，因此被调谐到特定的目标波长的天线在本文中被认为是“专用”于该特定波长的。
在一个实施例中，图2A中所示系统的某些组件在同一半导体衬底上制造。图2A描绘了接口220，其代表IC装置的物理接口。例如，所包括的接口是导电垫，其使得能够与本领域已知的其它组件进行电气连接。在图2A的实施例中，位于至少两个接口之间的组件包括在IC装置上。具体地，组件BPF 274、PAs 277、TX混频器276、PA 278、双倍频器282、混频器286、LNA 287、LNA 288、RX混频器290和混频器292包括在单个IC装置上，例如，在封装IC装置的相同半导体衬底上。如本领域已知的，接口220提供将IC装置的组件电连接到传感器系统的其他组件的方法。
如上所述，传感器系统是多频段传感器系统，其被配置为在至少两个不同频段(例如，2-6GHz频段和122-126GHz频段)中实施基于步进频率雷达的感测。参考图2B和2C描述图2A中所示的多频段传感器系统的操作模式。具体地，参考图2B描述低频段操作模式(包括2-6GHz的发射和接收操作)，参考图2C描述高频段操作模式(包括122-126GHz的发射和接收操作)。参照图2B和2C，发射操作的描述通常对应于从左到右的进程，而接收操作的描述通常对应于从右到左的进程。此外，在相应的低频段和高频段操作模式中不需要的组件用网状线标识。在一个实施例中，在特定操作模式中不需要的组件可以断电、关机和/或功率选通以节省电力。例如，在图2B所示的低频段操作模式中，频率合成器280、双倍频器282、TX混频器276、PA 278、LNA 288和RX混频器290可以被断电，如网状线所示。同样，在图2C所示的高频段段操作模式中，PA 277和LNA 287可以被断电，如网状线所示。
参照图2B，关于低频段发射操作，晶体振荡器270以例如10MHz的基频生成模拟信号(例如，基本信号)。10MHz信号被提供给PLL 272，PLL使用10MHz信号产生模拟信号，该信号的频率范围为2-6MHz。2-6GHz信号通过相应的接口220提供给IC装置的BPF274，BPF对输入信号进行过滤，并将2-6GHz范围内的信号传递给PA 277。2-6GHz范围内的射频信号从PA277通过相应的接口220提供给TX天线240，然后作为无线电波从天线发射。在一个实施例中，2-6GHz信号以20dBm(分贝(dB)相对于1毫瓦(mW))输出。在一个实施例中，并且如下所述，PLL被控制以生成用于步进频率发射的2-6GHz之间的离散频率脉冲。
来自BPF 274的2-6GHz信号也被提供给混频器286。来自晶体振荡器270的10MHz基本信号也经由相应的接口220提供给分频器284，分频器284通过例如两个二分频操作将频率从例如10MHz向下分频到2.5MHz，并向混频器286提供2.5MHz的输出信号。在一个实施例中，2.5MHz信号被称为“中频”或“IF”信号。混频器286还接收来自BPF 274的2-6GHz信号并将2-6GHz信号上变频，以将2-6GHz+2.5MHz的信号提供给混频器292进行接收信号处理。
参考接收操作，电磁(EM)能量在RX天线244(例如，四个RX天线之一)处被接收并且被转换成电信号，例如电压和电流。例如，2–6GHz频段中的电磁能量被转换为在振幅(例如，以dBm为单位的功率)、频率(例如，GHz)和相位上与在RX天线上接收的电磁能量相对应的电信号。电信号通过相应的接口220提供给LNA 287。在一个实施例中，LNA 287放大2-6GHz频率范围内的信号，并输出放大的2-6GHz信号。然后，放大的2-6GHz信号在混频器292处与2-6GHz+2.5MHz信号混合(例如，下变频)，以生成对应于在RX天线上接收的电磁能量的2.5MHz信号(“IF”信号)。例如，当2GHz信号从TX天线240发射并在RX天线244上接收时，混频器292接收对应于在RX天线244上接收的电磁能量的2GHz信号和来自混频器286的2GHz+2.5MHz信号。混频器292将对应于在RX天线244上接收的电磁能量的2GHz信号与来自混频器286的2GHz+2.5MHz信号混合(例如，下变频)，以生成对应于在RX天线244上接收的电磁能量的2.5MHz信号(“IF”信号)。对应于在RX天线244上接收到的电磁能量的2.5MHz信号通过相应的接口220提供给IF/BB组件294，进行模数转换。上述的接收过程可以在四个接收路径296中的每一个上并行实施。如上所述并如网状线所示，不需要频率合成器280、双倍频器282、TX混频器276和RX混频器290来实现多频段传感器系统的低频操作模式，因此可以，例如，断电、关机或功率选通以节省电力。
参照图2C，关于高频段发射操作，晶体振荡器270生成频率为10MHz的模拟信号。该10MHz信号被提供给PLL 272、频率合成器280和分频器284。PLL使用10MHz的信号来生成2-6GHz频率范围内的模拟信号。2-6GHz信号通过相应的接口220提供给BPF 274，BPF对输入信号进行过滤，并将2-6GHz范围内的信号传递给混频器276。2-6GHz信号也被提供给混频器286。
在图2C中，频率合成器280使用10MHz信号来生成15GHz信号(也称为“预变频”信号)。15GHz信号通过相应的接口220提供给双倍频器282，并由双倍频器282用来生成120GHz(也称为“变频”频率)信号(也称为“变频”信号)。在一个实施例中，双倍频器282包括一系列三个双倍频器，每个双倍频器将频率例如从15GHz倍增到30GHz，然后从30GHz倍增到60GHz，再从60GHz倍增到120GHz。如下所述，120GHz变频信号用于上变频发射信号和下变频接收信号，以有效实现高频段工作模式。一旦生成，120GHz变频信号和2-6GHz信号被提供给混频器276(例如，TX混频器)，混频器将这两个信号混合(例如，上变频)，根据2-6GHz信号的频率生成122-126GHz信号。从混频器276输出的122-126GHz信号被提供给功率放大器278。然后，122-126GHz范围内的RF信号通过相应的接口220提供给TX天线242，并作为无线电波从天线发射。在一个实施例中，122-126GHz信号以15dBm(分贝(dB)相对于1毫瓦(mW))输出。在一个实施例中，并且如下所述，PLL 272被控制以生成用于步进频率发射的2-6GHz之间的离散频率脉冲，因此，122-126GHz信号的特定频率以锁定步长在时间上随2-6GHz信号变化。
来自晶体振荡器270的10MHz信号也经由相应的接口220提供给分频器284，分频器284通过例如两个二分频操作将频率从例如10MHz向下分频到2.5MHz，并向混频器286提供2.5MHz的输出信号。混频器286还接收来自BPF 274的2-6GHz信号并将2-6GHz信号上变频，以将2-6GHz+2.5MHz的信号提供给混频器292进行接收信号处理。
参考接收操作，电磁(EM)能量在RX天线246处被接收并且被转换成电信号，例如电压和电流。例如，122–126GHz频段中的电磁能量被转换为在振幅(例如，以dBm为单位的功率)、频率(例如，GHz)和相位上与在RX天线246上接收的电磁能量相对应的电信号。电信号通过相应的接口220提供给LNA 288。在一个实施例中，LNA 288放大122-126GHz频率范围内的信号，并输出放大的122-126GHz信号。放大的122–126GHz信号被提供给RX混频器290，RX混频器290将接收到的122–126GHz信号与来自双倍频器282的120GHz变频信号混合(例如，下变频)以生成与在RX天线246上接收到的电磁能量相对应的2–6GHz信号。所得的2-6GHz信号在混频器292处与2-6GHz+2.5MHz信号混合，以生成与在RX天线246上接收的电磁能量相对应的2.5MHz信号(“IF”信号)。例如，当122GHz信号从TX天线242发射并在RX天线246接收时，混频器292接收对应于在天线上接收的电磁能量的2GHz信号和来自混频器286的2GHz+2.5MHz信号。混频器292将对应于在RX天线上接收到的电磁能量的2GHz信号与来自混频器286的2GHz+2.5MHz信号混合(例如，下变频)，以生成对应于在RX天线246接收的电磁能量的2.5MHz信号(“IF”信号)。对应于在RX天线246上接收到的电磁能量的2.5MHz信号通过相应的接口220提供给IF/BB组件294，进行模数转换。上述的接收过程可以在四个接收路径296中的每一个上并行实施。如上所述并如网状线所示，不需要PA 277和LNA287来实现多频段传感器系统的低频操作模式，因此可以，例如，断电、关机或功率选通以节省电力。如本文所述的多个混频器和对应的混频操作实现了“复合混频”架构，该架构能够使用诸如122-126GHz频率范围之类的高频。
如上参照图2C所述，相同的120GHz变频信号用于对发射信号上变频和对接收信号下变频。具体地，120GHz变频信号用于将2-6GHz信号上变频为122-126GHz信号以发射，并且相同的120GHz变频信号用于将在接收天线上接收的122-126GHz信号下变频为2-6GHz信号。因此，频率合成器280和双倍频器282用于发射和接收操作。
在一个实施例中，用户通过输入模式选择命令来设置传感器系统的操作模式。在其他实施例中，操作模式由嵌入到系统中的模式选择逻辑设置，例如嵌入到DSP 164、MCU166和/或CPU 152中的模式选择逻辑。在一个实施例中，一旦选择了操作模式，传感器系统的组件被配置成使得系统在低频段操作模式或高频段操作模式下操作，如上文参考图2A-2C所述。在一个实施例中，设置IC装置的配置包括启用/关断如参考图2A-2C所述的对某些组件。另外，设置IC装置的配置可以包括设置开关(例如，图5中的开关583)的配置，以在不同变频信号之间切换。另外，尽管在图2A-2C中未示出，但是传感器系统可包括配置可被设置的其它开关，其控制信号如何在组件之间分配。在一个实施例中，低频段和高频段操作模式都是可用的操作模式选项。
参考图2A-2C描述的系统可用于生成、发射和接收各种离散频率，这些离散频率可用于实现例如步进频率雷达检测。如上所述，执行多个混频操作以在如此高的频率(例如，在122-126GHz范围内)实现传感器系统。此外，多频段系统的许多组件用于实现低频和高频操作模式。具体地，晶体振荡器270、PLL272、BPF 274、分频器280、混频器286、混频器292和IF/BB组件294用于低频段和高频段操作模式。将晶体振荡器270、PLL 272、BPF 274、分频器280、混频器286和混频器292用于多频段传感器系统的两种操作模式，可以有效地利用RF组件，并节省半导体衬底上的宝贵空间。另外，由混频器286和292实现的两步变频使得能够使用例如2.5MHz的中频，这对于IF/BB组件294处的模数转换是期望的。
图3描绘了图2A到2C中所示的IF/BB组件394的实施例。图3的IF/BB组件394包括用于四个接收路径/RX天线中的每一个的类似信号路径302，并且每个信号路径包括低通滤波器(LPF)304、模数转换器(ADC)362、混频器306和抽取滤波器308。描述接收路径1RX1的操作。
如上文参照图2A-2C所述，来自混频器292(图2A)的2.5MHz信号(IF信号)被提供给IF/BB组件294/394，特别是提供给IF/BB组件394的LPF 304。在一个实施例中，LPF对2.5MHz信号进行过滤，以去除负频谱和所需带宽外的噪声。通过LPF后，2.5MHz信号被提供给ADC362，ADC 362将2.5MHz信号(例如，IF信号)以10MHz的采样率转换为数字数据(例如，12-16位“实”数据)。混频器306将数字数据与复向量相乘以生成数字信号(例如，12-16位“复”数据)，该数字信号也以10MHz采样。尽管信号以10MHz采样，但也可以采用其他采样率，例如20MHz。以10MHz采样的数字数据被提供给抽取滤波器，抽取滤波器通过选择性地丢弃部分采样数据来减少数据量。例如，抽取滤波器通过降低采样率和去除一定百分比的样本来减少数据量，从而保留较少的样本。样本保留的减少可以由抽取因子M来表示，并且例如可以是大约10或100，这取决于应用，其中M等于输入样本率除以输出样本率。
抽取滤波器306的输出是数字数据，代表在相应RX天线上接收的电磁能量。在一个实施例中，从IF/BB组件394以1MHz的速率(使用10的抽取因子)或以100kHz的速率(使用100的抽取因子)输出样本。数字数据经由总线310提供给DSP和/或CPU 364以供进一步处理。例如，处理数字数据以从特定位置隔离信号，例如，隔离对应于从特定物理位置反射的电磁能量的信号。在一个实施例中，应用信号处理技术来实现波束形成、多普勒效应处理和/或泄漏缓解,以将所需信号与其他不需要的信号隔离。
在传统RF系统中，模数转换过程涉及高直流(DC)，使得DC处RF信号的I(“实”)和Q(“复”)分量在ADC处丢失。使用如上参考图1-3所述的多频段系统，中间IF不是基带，因此可以在如图3所示的模数转换和数字混合之后获得I和Q。
在一个实施例中，接收信号的数字信号处理可涉及实现卡尔曼(Kalman)滤波器以平滑噪声数据。在另一实施例中，接收信号的数字信号处理可涉及以数字方式组合接收链。其他数字信号处理可用于实现波束形成、多普勒效应处理和测距。数字信号处理可以在DSP和/或CPU中实现。
多频段传感器系统在上文被描述为具有2-6GHz的低频段和122-126GHz的高频段。尽管上面描述了两个不同频段的特定组合，但是不同频段的其他组合是可能的。例如，图4中描绘的传感器系统被配置成在2-6GHz的低频段和22-26GHz的高频段发射和接收RF能量。图4所示的系统的组件和操作与上文参考图2A-2C所述的组件和操作相似，但有一些区别。参考图4，频率合成器481被配置成从10MHz基本信号生成20GHz变频信号。将20GHz变频信号分别提供给TX混频器476和RX混频器490以用于上变频和下变频。此外，高频段PA 479、TX天线441、RX天线445和LNA 489被配置用于22–26GHz RF信号。具体地，TX天线441和RX天线445被配置为分别发射和接收22-26GHz频率范围内的RF波，例如，波长范围为13.6-11.5毫米。与参考图2A-2C描述的实施例一样，一些组件用于实现低频段和高频段操作模式。具体地，晶体振荡器470、PLL 472、BPF 474、分频器484、混频器486、混频器492和IF/BB组件494用于低频段和高频段操作模式。
参考图2A-2C和图4描述的多频段传感器系统被配置为两个不同的频段：2-6GHz的低频段和122-126GHz或22-26GHz的高频段。图5描绘了配置成在三个不同频段下操作的多频段系统的实施例。具体地，图5的传感器系统被配置为在2-6GHz的低频段、22-26GHz的中频段和122-126GHz的高频段下操作。图5所示的系统的组件和操作与上文参考图2A-2C和图4所述的组件和操作相似，但有一些区别。参考图5，该传感器系统包括图2A-2C的所有组件以及附加频率合成器581，该附加频率合成器581被配置成从10MHz基本信号生成20GHz变频信号，以及开关583，该开关583被配置成在20GHz变频信号和120GHz变频信号之间进行选择，这取决于选择传感器系统的三种可用操作模式中的哪一种。当系统处于22-26GHz频段(例如，“中频段”)操作模式时，开关583被配置为使得20GHz变频信号被提供给TX混频器576进行上变频，并提供给RX混频器590进行下变频，当系统处于122-126GHz频段(例如，“高频段”)操作模式时，开关583被配置成使得120GHz变频信号被提供给TX混频器576进行上变频，并提供给RX混频器590进行下变频。此外，中频段PA 579、TX天线541、RX天线545和LNA589被配置用于22–26GHz RF信号。例如，TX天线541和RX天线545被配置为分别发射和接收22-26GHz频率范围内的RF波，例如，波长范围为13.6-11.5毫米。与参考图2A-2C描述的实施例一样，一些组件用于在所有三个频段上实施操作。具体地，晶体振荡器570、PLL 572、BPF574、分频器584、混频器586、混频器582和IF/BB组件594用于所有三种操作模式，例如低频段、中频段和高频段操作模式。将某些组件用于多频段操作可以节省IC装置上宝贵的空间，以减小IC装置的尺寸和/或为其他组件集成到同一IC装置上留出空间。
尽管此处描述了120GHz和20GHz的变频信号的示例，但是其他频率的变频信号也是可能的。如本文所述，变频信号的频率设置不同变频之间的“距离”(例如，就频率分离而言)。因此，可以通过控制变频信号的频率来控制多频段传感器系统的不同频段之间的距离。在一个实施例中，可以实现在多于三个不同频段中具有操作模式的多频段传感器系统。例如，可以通过增加额外的转换频率和切换机制，从可用的转换频率选项中选择所需的转换频率，来实现具有三个以上不同频段的操作模式的多频段传感器系统。尽管多频段传感器系统的操作被描述为一次在一个频段上发射和接收RF能量，但也有可能在多个不同频段上生成RF能量，并从各个特定频段的TX天线同时发射，然后在接收端以例如时分多路复用(TDM)的方式接收。例如，如果同时发射三个不同频段的RF能量，则可以在系统的接收侧使用切换机制，在选择三个频段之一之间进行轮换，以向混频器592(图5)提供特定频段的信号。
在一个实施例中，传感器系统的某些组件集成到单个半导体衬底和/或单个封装IC装置(例如，包括多个不同半导体衬底(例如，不同的芯片)和天线)的封装IC装置上。例如，诸如RF前端148之类的组件和/或数字基带系统150(图1-3)的组件之类的元件被集成到相同的半导体衬底(例如，相同的芯片)上。在一个实施例中，多频段传感器系统的组件集成在约5mm×5mm的半导体衬底上。在一个实施例中，半导体衬底和封装IC装置包括用于与诸如DSP、CPU和/或总线之类的其他组件交换电信号的接口。在一些实施例中，封装IC装置可以包括DSP和/或CPU，或者封装IC装置可以包括一些DSP和/或CPU功能。
由于多频段传感器系统包括在明显不同的频段(例如，2-6GHz、22-24GHz和122-126GHz)下的操作模式，因此支持不同频段所需的发射和接收天线配置在物理上是不同的。因此，调谐为2-6GHz频段的天线在22-26GHz频段或122-126GHz频段中可能无法提供可接受的性能。同样，调谐为122-126GHz频段的天线在2-6GHz频段或在22-26GHz频段中可能无法提供可接受的性能，并且调谐为22-26GHz频段的天线在2-6GHz频段或在122-126GHz频段中可能无法提供可接受的性能。因此，希望多频段传感器系统利用通过特定频段接口连接到RF IC装置的特定频段天线。在一个实施例中，天线的特定频段配置涉及对应于特定频段的波长的天线尺寸。尽管本文描述的RF IC装置包括特定频段接口，但是变频混频器(例如，上变频和下变频混频器)的利用提供了RF组件的有效使用，即使考虑到特定频段天线的要求。
在一个实施例中，多频段传感器系统的各种组件集成到单个RF IC装置中。图6描绘了多频段传感器系统的610实施例，其中RF前端的组件被合并到单个RF IC装置600中。提供图6的部分目的是更清楚地说明单个IC装置如何与多频段传感器系统的其他组件集成。如图6所示，RF IC装置600包括各种信号接口620，包括用于2-6GHz信号的信号接口、用于15GHz信号(例如，预变频信号)的信号接口、用于10MHz信号(基本信号)的信号接口、两个低频TX天线接口(TX 1L和TX 2L)、两个高频段TX天线接口(TX 1H和TX 2H)、四个低频段RX天线接口(RX 1L、RX 2L、RX 3L和RX 4L)、四个高频段RX天线接口(RX1H、RX 2H、RX 3H和RX4H)和四个IF/BB接口(RX 1、RX 2、RX 3和RX 4)。图6中所示的接口620对应于图2A-2C中所示的接口220，并且RF IC装置中的组件(图6中未示出)对应于参考图2A-2C描述的组件，这些组件位于相同的IC装置上，例如，制造到相同的半导体衬底中。在一个实施例中，RF IC装置600包括用于操作控制(例如，设置系统的配置以从可用操作模式中选择操作模式)和电源(例如，电源和接地)的附加接口。在图6的实施例中，经由接口620连接到RF IC装置600的组件包括晶体振荡器670、PLL 672、频率合成器680、IF/BB组件694、低频段TX天线640、高频段TX天线642、低频段RX天线644和高频段RX天线646。
图7描绘了如图2A-2C和图6所示的具有识别RF IC装置700的边界的系统。图7还用虚线框796标识了在系统的实施例中重复四次的多频段传感器系统的元件，该系统的实施例包括针对每个低频段和高频段操作模式的四个接收路径。
下文描述了可以单独或组合实施的各种技术，以将对应于来自物体(例如，如血液)的反射的电信号与对应于其他反射(例如，如来自骨骼和/或纤维组织如肌肉和肌腱的反射)和/或对应于泄漏的信号的其他电信号隔离。这些技术涉及和/或涉及例如发射特性、波束形成、多普勒效应处理、泄漏缓解和天线设计。
众所周知，雷达探测涉及发射电磁能和接收发射电磁能的反射部分。在雷达系统中发射电磁能的技术包括脉冲、啁啾和步进频率技术。图8A–8C描绘了用于在雷达系统中发射电磁能量的脉冲、啁啾和步进频率技术的频率-时间关系图。图8A描绘了雷达发射技术，其涉及以每个脉冲的相同频率发射电磁能量脉冲，称为“脉冲”发射。在图8A的示例中，每个脉冲的频率为f1，并且持续大约2ns的恒定间隔。每个脉冲间隔约2ns。
图8B描绘了雷达发射技术，该技术涉及在每个间隔内以增加的频率发射电磁能量脉冲，在此称为“啁啾”发射。在图8B的示例中，每个啁啾的频率从f0增加到f1，间隔为2ns，每个啁啾间隔2ns。在其他实施例中，啁啾可以以很短的间隔(例如，几分之一纳秒)分开或无间隔。
图8C描述了一种雷达发射技术，该技术涉及在特定脉冲期间以相同的频率发射电磁能量脉冲，但从脉冲到脉冲的频率增加，在此称为“步进频率”发射或步进频率模式。在图8C的示例中，每个脉冲在脉冲的间隔时间内(例如，超过2ns)有一个恒定的频率，但频率从脉冲到脉冲以Δf的增量增加。例如，第一脉冲的频率为f0，第二脉冲的频率为f0+Δf、第三脉冲的频率是f0+2Δf、第四脉冲的频率是f0+3Δf，以此类推。
在一个实施例中，本文描述的传感器系统使用步进频率发射来操作。下面更详细地描述使用步进频率发射的传感器系统的操作。图9描绘了使用步进频率发射的电磁能突发。突发中脉冲的频率可以表示为：
fn＝f0+nΔf
其中f0＝起始载波频率，Δf＝步长，τ＝脉冲长度(有效，每个频率)，T＝重复间隔，n＝1,…N，每个突发由N个脉冲(频率)和相干处理间隔(CPI)＝N·T＝1个完整突发。
使用步进频率发射可以实现相对较高的距离分辨率。在尝试监测健康参数(例如，直径可能在1–4毫米之间的静脉中的血糖水平)时，高范围分辨率可能是有利的。例如，为了有效地隔离与来自1–4毫米直径静脉中的血液的电磁能反射相对应的信号，需要具有高范围分辨率，这由122–126GHz频率范围提供。
使用步进频率发射，距离分辨率可以表示为：
ΔR＝c/2B
其中c＝光速，B＝有效带宽。距离分辨率可以表示为：
ΔR＝c/2N·Δf
其中B＝N·Δf。因此，距离分辨率不依赖于瞬时带宽，可以通过增加N·Δf来任意提高距离分辨率。
在一个实施例中，电磁能在大约122–126GHz的频率范围内从高频段TX天线发射，这对应于大约4GHz的总带宽，例如，B＝4GHz。图10A描绘了在122-126GHz的频率范围内发射的电磁能量的发射带宽B的图。在4GHz带宽内，从122–126GHz，可以发射离散频率脉冲。例如，在一个实施例中，可以发射的离散频率的数量在例如64-256个离散频率的范围内。在具有64个离散频率脉冲且重复间隔T超过4GHz带宽的情况下，步长Δf为62.5MHz(例如，4GHz带宽除以64＝62.5MHz)，并且在具有256个离散频率脉冲和超过4GHz带宽的重复间隔T的情况下，步长Δf为15.625MHz(例如，4GHz带宽除以256＝15.625MHz)。图10B描绘了具有重复间隔T和步长Δf的62.5MHz的步进频率脉冲的图(例如，4GHz带宽除以64＝62.5MHz)。如上所述，示例传感器系统具有四个特定频段RX天线。假设可以在每个RX天线上接收离散频率，则接收操作中传感器系统的自由度(DOF)可以表示为：4个RX天线x 64个离散频率＝256DOF；4个RX天线x 256个离散频率＝1K DOF。自由度的数量(也称为“发射频率分集”)可以提供信号分集，这在诸如人体解剖的环境中是有益的。例如，不同的离散频率可对人的不同解剖特征具有不同的响应。因此，更大的发射频率分集可以转化为更大的信号分集，并最终转化为更准确的健康监测。
步进频率传输方法的一个特点是，传感器系统在重复间隔T内以基本相同的频率接收反射的电磁能量。即，与啁啾发射相反，脉冲的频率不随脉冲的间隔而改变，因此接收到的反射电磁能与相应间隔内发射的电磁能的频率相同。图11A描绘了发射脉冲的频率与时间关系图，其中发射(TX)和接收(RX)间隔相对于脉冲被识别。如图11A所示，第一脉冲的RX操作发生在重复间隔T的脉冲长度τ期间以及下一个脉冲之间的间隔期间。图11B描绘了对应于图11A的发射波形的振幅与时间关系图。如图11B所示，脉冲振幅是恒定的，而频率在每个重复间隔T处增加Δf。
在一个实施例中，可以设置发射的电磁能量的功率以实现期望的穿透深度和/或期望的照明量。在一个实施例中，来自高频段TX天线的发射功率约为15dbm，低频段TX天线的发射功率约为20dbm。
在一个实施例中，电磁能量可以从TX天线一次一个TX天线发射(在此称为“发射分集”)。例如，当两个TX天线中的第二个空闲时从两个TX天线中的第一个发射信号，然后当第一TX天线空闲时从第二TX天线发射信号。发射分集可揭示来自两个TX天线中的一个的照明提供比来自两个TX天线中的另一个的照明更高质量的信号。当试图照亮静脉时尤其如此，该静脉的位置可能因人和/或时刻而异(例如，取决于可穿戴设备相对于静脉的位置)。因此，发射分集可以提供彼此独立并且可以具有不同特性(例如，信号功率、SNR等)的接收信号集。
参考图12描述与使用步进频率方法操作传感器系统相关的一些理论，其示出与传感器系统操作的发射、接收和处理阶段相关的操作。参照图12的上部，显示了与图16B的图形类似的发射信号突发的时间与振幅关系图。该图表示频率为f0、f0+Δf、f0+2Δf、f0+3Δf和f0+4Δf的五个脉冲突发的波形。
图12的中间部分表示接收信号的值，它对应于四个脉冲突发中每个脉冲的振幅、相位和频率。在一个实施例中，接收信号被放置在距离筐(range bin)中，这样每个频率的距离筐有一个复样本。然后在每个距离筐的基础上执行离散傅立叶逆变换(IDFT)以确定距离信息。图12的底部说明了IDFT过程，该过程生成与特定对象的范围相对应的信号。例如，该范围可以对应于诸如贵要静脉之类的静脉。在一个实施例中，信号处理的某些部分由DSP或CPU以数字方式执行。尽管参考图12描述了信号处理方案的一个示例，但其他信号处理方案也可以实现，以将对应于来自静脉(如贵要静脉)中血液的反射的信号与对应于来自其他不希望的解剖特征(如组织和骨骼)的反射的信号以及对应于TX天线泄漏的信号隔离开来。
波束成形是一种信号处理技术，用于传感器阵列中的定向信号发射和/或接收。波束成形可以通过组合相控天线阵列中的元件，使特定角度的信号受到相长干扰，而其他信号受到相消干扰来实现。波束成形可用于发射操作和接收操作，以实现空间选择性，例如，将一些接收信号与其他接收信号隔离。在一个实施例中，波束形成技术用于将对应于来自静脉(如贵要静脉)中血液的反射的信号与对应于来自其他不希望的解剖特征(如组织和骨骼)的反射的信号以及对应于TX天线泄漏的信号隔离开来。
图13是用于操作IC装置的方法的过程流程图。在框1302，IC装置的配置被设置为从低频段操作模式和高频段操作模式的可用选项中选择。在框1304，当IC装置的配置被设置为低频段操作模式时，以低频段频率发射和接收RF信号，在框1306，当IC装置的配置被设置为高频段操作模式时，以高频段频率发射和接收RF信号，其中以高频段频率发射RF信号包括将低频段频率的第一信号上变频为高频段频率的第二信号，并且其中以高频段频率接收RF信号包括将高频段频率的第三信号下变频为低频段频率的第四信号，其中所述上变频和下变频是使用变频频率的变频信号来实现的。
在一个实施例中，为了减少噪声，希望高频段天线(例如，调谐为122-126GHz频段的天线)非常接近相应的PA(例如，278，图2)和LNA(例如，288，图2)。因此，在一些实施例中，高频段TX天线和RX天线被连接到封装IC装置上。在一个实施例中，高频段TX和RX天线(例如TX天线642和RX天线646，图6)连接至半导体衬底的外表面和/或IC封装的外表面，并与集成在半导体衬底中的电路电连接。在一个实施例中，高频段TX和RX天线被连接到IC封装的外表面，以便TX和RX天线连接点非常接近(例如0.5-5毫米)相应的发射和接收电路，如PA和LNA。在一个实施例中，半导体衬底和封装IC装置包括用于将电信号输出到其他组件，如DSP、CPU和/或总线的输出端。在一些实施例中，封装IC装置可以包括DSP和/或CPU，或者封装IC装置可以包括一些DSP和/或CPU功能。
在一个实施例中，封装IC装置的尺寸为5毫米×5毫米(例如，称为装置“封装”(footprint))，半导体衬底的封装比封装IC装置的封装略小，例如，半导体衬底的尺寸比封装IC装置的每一侧小约0.1-1毫米。在示例实施例中，封装IC装置具有大约0.3-2mm的厚度并且半导体衬底具有大约0.1-0.7mm范围内的厚度。在一个实施例中，高频段TX和RX天线设计用于毫米范围的无线电波，例如122-126GHz的无线电波具有2.46到2.38mm范围内的波长。低频段操作模式的TX和RX天线可能离IC装置更远，并通过导电迹线连接，因为较长的波长不像122–126GHz频段那样对噪声和/损耗敏感。在一个实施例中，高频段TX和RX天线(例如，122-126GHz)是微带贴片天线，并且天线的尺寸是无线电波波长的函数。在一些实施例中，微带贴片天线的长度和宽度尺寸为目标无线电波波长的二分之一。因此，为122-126GHz的无线电波(例如，波长在2.46至2.38毫米之间)设计的微带贴片天线的长度和宽度尺寸大约为1.23-1.19毫米，但不超过1.3毫米。其他类型的天线，如偶极天线也是可能的。在一个实施例中，高频段天线的小天线尺寸使得将所有六个高频段天线(例如，两个TX天线和四个RX天线)连接到半导体衬底的封装内的IC装置的封装顶面是有利的，这使得封装IC装置非常紧凑。
在一个实施例中，高频段RX天线形成相控天线阵列，并且对于诸如健康监测之类的应用，可能期望在RX天线之间具有尽可能多的空间间隔，以通过从每个RX天线获得唯一的信号来改善总体信号质量(这对于高频段天线和低频段天线都是如此)。例如，高频段RX天线的空间分离使得改进的深度辨别能够将对应于来自对象(例如，静脉中的血液)的反射的信号与来自其他对象的反射隔离开来。因此，在一个实施例中，高频段RX天线位于矩形IC装置的角部。例如，高频段RX天线位于与半导体衬底的角部齐平和/或与IC装置封装的角部齐平的位置，或位于距半导体衬底的角部和/或IC装置封装的角部小于约0.5mm的范围内。
在一个实施例中，高频段TX天线位于RF IC装置的相对侧上，大约位于位于同一侧的两个高频段RX天线之间的中间。在极高的频率(例如，30–300GHz)下，导体损耗可能非常大。此外，已知极高频率下的导体损耗与频率有关，频率越高，导体损耗越大。在许多健康监测应用中，电源(如电池电源)是必须节约的有限资源。另外，出于如上所述的原因，例如限制不期望的反射，出于健康监视的原因，低功率发射可能是可取的。由于低功耗环境，导体损耗会严重影响传感器系统的性能。例如，在天线和半导体衬底的导电垫或“芯片”之间，以及在导电垫和芯片中的发射/接收组件(例如，放大器、滤波器、混频器等信道特定电路)之间，可能产生显著的导体损耗。为了减少传感器系统中导体损耗的影响，重要的是将天线尽可能靠近芯片的信道特定发射/接收组件。在一个实施例中，高频段发射和接收组件(例如，高频段PA和LNA)战略性地制造在半导体衬底上与天线的期望位置相对应的位置。因此，当高频段TX和RX天线在物理上和电气上连接到IC装置时，高频段TX和RX天线尽可能靠近芯片上的发射和接收组件，例如，并置以使得信道特定发射/接收组件的一部分从平面图角度与相应TX/RX天线的一部分重叠。这种并置配置使高频段TX和RX天线能够保持所需的分布，同时有效地管理系统中的导体损耗。在122–126GHz范围内的频率下，天线和芯片的信道特定电路之间的这种紧密接近非常重要，并且与包括天线和芯片之间的多毫米导电迹线的传感器系统相比提供了改进。
本文所用的“低频段”、“中频段“和“高频段”是相对术语。特别是，相对于IC装置被配置为实现的其他频段而言，这些频段是“低”、“中”或“高”频率的。例如，2-6GHz的“低频段”在频率上低于122-126GHz的“高频段”，22-26GHz的“中频段”在频率上高于“低频段”(如2-6GHz)，在频率上低于“高频段”(如122-126GHz)。
在一个实施例中，多频段传感器系统可能是健康监测应用的理想选择。例如，多个不同频段可以提高监视特定参数的质量和/或多个不同频段可以实现多个不同健康参数的更高质量监视。例如，一个频段可提供用于监测特定健康参数(例如血糖水平)的更好结果，而不同频段可提供用于监测不同健康参数(例如血压或心率)的更好结果。因此，基于多频段步进频率雷达的传感器系统能够使用相同的RF IC装置在多个不同的频段上进行健康监测。此外，多频段传感器系统可用于其它基于步进频率雷达的感测应用，例如安全监视，包括武器检测。
尽管描述了某些频段/范围，但在一些实施例中，这些频段/范围基本上处于列举的频段/频率，例如，在列举的频段/频率的±10％、±5％或±1％之内。尽管描述了用于频率生成的某些频率组合，但是其他频率组合也是可能的。例如，基频可以是10MHz以外的频率。另外，可以使用不同的频率组合从基本信号生成变频信号。
在一个实施例中，多频段传感器系统包括根据所选模式控制系统的操作模式的组件。组件可以包括选择逻辑、信号路径和功率控制组件。功率控制组件可包括用于降低某些组件的功率、增加组件的功率的电路、功率栅极组件或本领域已知的用于管理功耗的其它技术。
在一个实施例中，PA和LNA被调谐以在特定频段上提供期望的性能。例如，PA和/或LNA可以包括具有物理参数(例如，尺寸、导电性、介电质量等)的组件/元件，这些参数是特定于频段的。
尽管本文中的方法的操作以特定顺序示出和描述，但是可以改变每个方法的操作顺序，使得可以以相反顺序执行某些操作，或者使得可以至少部分地与其他操作同时执行某些操作。在另一实施例中，不同操作的指令或子操作可以以间歇和/或交替的方式实现。
还应当注意的是，这里描述的方法的至少一些操作可以使用存储在计算机可用存储介质上以供计算机执行的软件指令来实现。作为示例，计算机程序产品的实施例包括用于存储计算机可读程序的计算机可用存储介质。
计算机可用或计算机可读存储介质可以是电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统(或装置或设备)。非暂时性计算机可用和计算机可读存储介质的示例包括半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机软盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬磁盘和光盘。光盘的当前示例包括具有只读存储器的光盘(CD-ROM)、具有读/写功能的光盘(CD-R/W)和数字视频光盘(DVD)。
或者，本发明的实施例可以完全以硬件或以包含硬件和软件元素的实施方式来实现。在使用软件的实施例中，软件可以包括但不限于固件、常驻软件、微码等。
尽管已经描述和图示了本发明的特定实施例，但是本发明不限于如此描述和图示的部件的特定形式或布置。本发明的范围由所附权利要求及其等同物来限定。

Claims (50)

1.一种集成电路装置，包括：
发射组件和接收组件；
至少一个低频段发射接口，其连接到第一发射组件以输出低频段频率的第一信号；
至少一个高频段发射接口，其连接到第二发射组件以输出高频段频率的第二信号；
至少一个低频段接收接口，其连接到第一接收组件以接收低频段频率的第三信号；
至少一个高频段接收接口，其连接到第二接收组件以接收高频段频率的第四信号；
混频器，其被连接以将所述低频段频率的第一信号上变频为所述高频段频率的第二信号，以从所述高频段发射接口发射，并将在所述高频段接收接口上接收的所述高频段频率的第四信号下变频为低频段频率的第五信号，其中所述上变频和所述下变频是使用变频频率的变频信号来实现的；以及
第二接收混频器，其被连接以使用中频对所述低频段频率的第一信号进行上变频，以输出所述低频段频率加上中频的第六信号。
2.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述低频段频率在2-6GHz的范围内，所述高频段频率在122-126GHz的范围内，并且所述变频频率为120GHz。
3.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述低频段频率在2-6GHz的范围内，所述高频段频率在22-26GHz的范围内，并且所述变频频率为20GHz。
4.根据权利要求1所述的集成电路装置，还包括第三接收混频器，其被连接以使用所述低频段频率加上中频的第六信号对所述低频段频率的第三信号和所述高频段频率的第五信号进行下变频，以生成中频的第七信号。
5.根据权利要求1所述的集成电路装置，还包括：
第二接收混频器，其被连接以使用中频对所述低频段频率的第一信号进行上变频，以输出所述低频段频率加上中频的第六信号；
第三接收混频器，其被连接以使用所述低频段频率加上中频的第六信号对所述低频段频率的第三信号和所述高频段频率的第五信号进行下变频，以生成中频的第七信号；以及
基带接口，其被连接以接收第七信号。
6.根据权利要求5所述的集成电路装置，其中所述低频段频率在2-6GHz的范围内，所述高频段频率在122-126GHz的范围内，并且所述变频频率为120GHz。
7.根据权利要求6所述的集成电路装置，其中所述第一信号跨2-6GHz频率范围步进。
8.根据权利要求7所述的集成电路装置，其中所述中频是2.5MHz。
9.根据权利要求5所述的集成电路装置，其中所述低频段频率在2-6GHz的范围内，所述高频段频率在22-26GHz的范围内，并且所述变频频率为20GHz。
10.根据权利要求9所述的集成电路装置，其中所述第一信号在2-6GHz频率范围内步进。
11.根据权利要求10所述的集成电路装置，其中所述中频是2.5MHz。
12.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述发射组件、所述接收组件和所述混频器被制造到所述集成电路装置的半导体衬底中。
13.根据权利要求12所述的集成电路装置，其中所述发射组件包括功率放大器并且所述接收组件包括低噪声放大器。
14.根据权利要求1所述的集成电路装置，还包括倍频器，其被配置为从预变频频率的预变频信号生成所述变频频率的变频信号。
15.一种集成电路装置，包括：
发射组件和接收组件；
至少一个低频段发射接口，其连接到第一发射组件以输出低频段频率的第一信号；
至少一个高频段发射接口，其连接到第二发射组件以输出高频段频率的第二信号；
至少一个低频段接收接口，其连接到第一接收组件以接收低频段频率的第三信号；
至少一个高频段接收接口，其连接到第二接收组件以接收高频段频率的第四信号；
用于将所述低频段频率的第一信号上变频为所述高频段频率的第二信号，以从所述高频段发射接口发射，并将在所述高频段接收接口上接收的所述高频段频率的第四信号下变频为低频段频率的第五信号的装置，其中所述上变频和下变频是使用变频频率的变频信号来实现的；以及
第二接收混频器，其被连接以使用中频对所述低频段频率的第一信号进行上变频，以输出所述低频段频率加上中频的第六信号。
16.一种集成电路装置，包括：
发射组件和接收组件；
至少一个低频段发射接口，其连接到第一发射组件以输出低频段频率的第一信号；
至少一个高频段发射接口，其连接到第二发射组件以输出高频段频率的第二信号；
至少一个低频段接收接口，其连接到第一接收组件以接收低频段频率的第三信号；
至少一个高频段接收接口，其连接到第二接收组件以接收高频段频率的第四信号；
发射混频器，其被连接以将所述低频段频率的第一信号上变频为所述高频段频率的第二信号，以从所述高频段发射接口发射；
接收混频器，其被连接以将在所述高频段接收接口上接收的所述高频段频率的第四信号下变频为低频段频率的第五信号；以及
第二接收混频器，其被连接以使用中频对所述低频段频率的第一信号进行上变频，以输出所述低频段频率加上中频的第六信号；
其中将所述发射混频器和所述接收混频器连接，以接收变频频率的变频信号。
17.一种集成电路装置，包括：
发射组件和接收组件；
至少一个低频段发射接口，其连接到第一发射组件以输出低频段频率的第一信号；
至少一个中频发射接口，其连接到第二发射组件以输出中频的第二信号；
至少一个高频段发射接口，其连接到第三发射组件以输出高频段频率的第三信号；
至少一个低频段接收接口，其连接到第一接收组件以接收低频段频率的第四信号；
至少一个中频接收接口，其连接到第二接收组件以接收中频的第五信号；
至少一个高频段接收接口，其连接到第三接收组件以接收高频段频率的第六信号；
混频器，其被连接以将所述低频段频率的第一信号上变频为所述中频的第二信号，以从所述中频发射接口发射；将所述低频段频率的第一信号上变频为所述高频段频率的第三信号，以从所述高频段发射接口发射；以及将在所述中频接收接口接收的所述中频的第五信号下变频为低频段频率的第七信号，并将在所述高频段接收接口接收的所述高频段频率的第六信号下变频为低频段频率的第八信号，其中与所述中频对应的上变频和下变频是使用第一变频频率的变频信号来实现的，并且其中与所述高频段频率对应的上变频和下变频是使用第二变频频率的变频信号来实现的；以及
第二接收混频器，其被连接以使用中频对所述低频段频率的第一信号进行上变频，以输出所述低频段频率加上中频的第九信号。
18.根据权利要求17所述的集成电路装置，其中所述低频段频率在2–6GHz范围内，所述中频在22–26GHz范围内，所述高频段频率在122–126GHz范围内，所述第一变频频率为20GHz，所述第二变频频率为120GHz。
19.根据权利要求18所述的集成电路装置，还包括第三接收混频器，其被连接以使用所述低频段频率加上所述中频的第九信号对所述低频段频率的第四信号、中频段频率的第七信号和高频段频率的第八信号进行下变频，以生成中频的第十信号。
20.根据权利要求17所述的集成电路装置，还包括被连接以接收所述中频的第十信号的基带接口。
21.一种射频系统，包括：
射频(RF)集成电路(IC)装置，包括：
发射组件和接收组件；
至少一个低频段发射接口，其连接到第一发射组件以输出低频段频率的第一信号；
至少一个高频段发射接口，其连接到第二发射组件以输出高频段频率的第二信号；
至少一个低频段接收接口，其连接到第一接收组件以接收低频段频率的第三信号；
至少一个高频段接收接口，其连接到第二接收组件以接收高频段频率的第四信号；
混频器，其被连接以将所述低频段频率的第一信号上变频为所述高频段频率的第二信号，以从所述高频段发射接口发射，并将在所述高频段接收接口上接收的所述高频段频率的第四信号下变频为低频段频率的第五信号，其中所述上变频和下变频是使用变频频率的变频信号来实现的；以及
第二接收混频器，其被连接以使用中频对所述低频段频率的第一信号进行上变频，以输出所述低频段频率加上中频的第六信号；
低频段发射天线，其连接到所述至少一个低频段发射接口并调谐至低频段频率；
高频段发射天线，其连接到所述至少一个高频段发射接口并调谐至高频段频率；
低频段接收天线，其连接到所述至少一各低频段接收接口并调谐至低频段频率；以及
高频段接收天线，其连接到所述至少一个高频段接收接口并调谐至高频段频率。
22.根据权利要求21所述的射频系统，还包括第三接收混频器，其被连接以使用所述低频段频率加上中频的第六信号对所述低频段频率的第三信号和所述高频段频率的第五信号进行下变频，以生成中频的第七信号。
23.根据权利要求22所述的射频系统，其中所述RF IC装置还包括被连接以接收所述第七信号的基带接口，并且还包括连接到所述RF IC装置的基带接口的基带组件。
24.根据权利要求23所述的射频系统，还包括第一信号源，其被配置为生成低频段频率的第一信号。
25.根据权利要求24所述的射频系统，还包括第二信号源，其被配置为生成预变频频率的预变频信号，所述RF IC还包括倍频器，所述倍频器被配置为从所述预变频频率的预变频信号生成所述变频频率的变频信号。
26.根据权利要求25所述的射频系统，还包括被配置为生成基频的源信号的电子振荡器。
27.根据权利要求26所述的射频系统，其中从所述基频的源信号生成所述低频段频率的第一信号、预变频频率的预变频信号和中频。
28.根据权利要求21所述的射频系统，其中所述发射组件、所述接收组件和所述混频器被制造到半导体衬底中。
29.根据权利要求28所述的射频系统，其中所述发射组件包括功率放大器并且所述接收组件包括低噪声放大器。
30.一种用于操作集成电路(IC)装置的方法，所述方法包括：
设置所述IC装置的配置，以从低频段操作模式和高频段操作模式的可用选项中进行选择；
当所述IC装置的配置被设置为所述低频段操作模式时，以低频段频率发射和接收射频(RF)信号；
当所述IC装置的配置被设置为所述高频段操作模式时，以高频段频率发射和接收RF信号，其中以所述高频段频率发射RF信号包括将所述低频段频率的第一信号上变频为所述高频段频率的第二信号，并且其中以所述高频段频率接收RF信号包括将所述高频段频率的第三信号下变频为所述低频段频率的第四信号，其中所述上变频和下变频是使用变频频率的变频信号来实现的；以及
使用中频对所述低频段频率的第一信号进行上变频，以输出所述低频段频率加上中频的第五信号。
31.根据权利要求30所述的方法，还包括使用所述低频段频率加上中频的第五信号对所述低频段频率的第六信号和所述低频段频率的第四信号进行下变频，以生成中频的第七信号。
32.根据权利要求31所述的方法，还包括将所述第七信号提供给基带组件。
33.根据权利要求30所述的方法，其中以低频段频率和高频段频率发射RF信号包括跨频率范围步进所述第一信号。
34.根据权利要求30所述的方法，其中所述低频段频率在2-6GHz的范围内，所述高频段频率在122-126GHz的范围内，并且所述变频频率为120GHz。
35.根据权利要求34所述的方法，其中以低频段频率和高频段频率发射RF信号包括跨2-6GHz频率范围步进所述第一信号。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述中频是2.5MHz。
37.根据权利要求30所述的方法，其中所述低频段频率在2-6GHz的范围内，所述高频段频率在22-26GHz的范围内，并且所述变频频率为20GHz。
38.根据权利要求37所述的方法，其中以低频段频率和高频段频率发射RF信号包括跨2-6GHz频率范围步进所述第一信号。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述中频是2.5MHz。
40.根据权利要求30所述的方法，其中设置所述配置包括设置开关以从仅低频段发射和接收信号路径、以及仅高频段发射和接收信号路径的可用选项中进行选择。
41.根据权利要求30所述的方法，其中设置所述配置以选择低频段操作模式包括启用所述低频段操作模式专用的组件和关断所述高频段操作模式专用的组件。
42.根据权利要求30所述的方法，其中设置所述配置以选择高频段操作模式包括启用所述高频段操作模式专用的组件和关断所述低频段操作模式专用的组件，其中所述高频段操作模式专用的组件包括用于上变频的发射混频器和用于下变频的接收混频器。
43.一种用于操作集成电路(IC)装置的方法，所述方法包括：
设置所述IC装置的配置，以从低频段操作模式和高频段操作模式的可用选项中进行选择；
当所述IC装置的配置被设置为所述低频段操作模式时，以低频段频率发射和接收射频(RF)信号，其中RF信号是从所述IC装置的低频段发射接口发射的，并且其中RF信号是在所述IC装置的低频段接收接口接收的；
当所述IC装置的配置被设置为所述高频段操作模式时，以高频段频率发射和接收RF信号，其中以所述高频段频率发射RF信号包括将所述低频段频率的第一信号上变频为所述高频段频率的第二信号，并且其中以所述高频段频率接收RF信号包括将所述高频段频率的第三信号下变频为所述低频段频率的第四信号，其中所述高频段频率的RF信号是从所述IC装置的高频段发射接口发射的，并且其中所述高频段频率的RF信号是在所述IC装置的高频段接收接口接收的，并且其中所述上变频和下变频是使用变频频率的变频信号来实现的；以及
使用中频对所述低频段频率的第一信号进行上变频，以输出所述低频段频率加上中频的第五信号。
44.根据权利要求43所述的方法，其中以低频段频率和高频段频率发射RF信号包括跨频率范围步进所述第一信号。
45.一种用于操作射频(RF)系统的方法，所述方法包括：
设置集成电路(IC)装置的配置，以从低频段操作模式和高频段操作模式的可用选项中进行选择；
当所述IC装置的配置被设置为所述低频段操作模式时，以低频段频率发射和接收射频(RF)信号，其中RF信号是从所述IC装置的低频段发射接口发射的，并且其中RF信号是在所述IC装置的低频段接收接口接收的；
当所述IC装置的配置被设置为所述高频段操作模式时，以高频段频率发射和接收RF信号，其中以所述高频段频率发射RF信号包括将所述低频段频率的第一信号上变频为所述高频段频率的第二信号，并且其中以所述高频段频率接收RF信号包括将所述高频段频率的第三信号下变频为所述低频段频率的第四信号，其中所述高频段频率的RF信号是从所述IC装置的高频段发射接口发射的，并且其中所述高频段频率的RF信号是在所述IC装置的高频段接收接口接收的，并且其中所述上变频和下变频是使用变频频率的变频信号来实现的；以及
使用中频对所述低频段频率的第一信号进行上变频，以输出所述低频段频率加上中频的第五信号。
46.根据权利要求45所述的方法，还包括使用所述低频段频率加上中频的第五信号对所述低频段频率的第六信号和所述低频段频率的第四信号进行下变频，以生成中频的第七信号。
47.根据权利要求46所述的方法，还包括将所述第七信号提供给基带组件。
48.根据权利要求45所述的方法，还包括从电子振荡器生成基频的源信号。
49.根据权利要求48所述的方法，还包括从所述基频的源信号生成所述低频段频率的第一信号。
50.根据权利要求49所述的方法，还包括从所述基频的源信号生成预变频频率的预变频信号，以及从所述预变频频率的预变频信号生成变频频率的变频信号。
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