CN113484828A - 级联扩展的毫米波传感器芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种级联扩展的毫米波传感器芯片，所述毫米波传感器芯片包括级联设置的毫米波主控芯片及毫米波发射阵列扩展芯片，其中：所述毫米波主控芯片包括第一接收单元、第一发送单元、及本振信号通路单元，毫米波主控芯片通过第一发送单元进行射频扩展；所述毫米波发射阵列扩展芯片包括第二接收单元、第二发送单元、及若干调相调幅单元。本发明简化了基于本振系统级联方式，具有结构简单、系统实现方便的特点，解决了传统多发多收毫米波传感器芯片集成复杂、通道间校准复杂效果差的问题，可广泛适用于物联网与人工智能及传统雷达等领域的传感器应用。
Description
技术领域
本发明属于毫米波雷达芯片技术领域，具体涉及一种级联扩展的毫米波传感器芯片，可广泛适用于物联网、人工智能及传统雷达领域的传感器应用。
背景技术
随着人工智能和物联网应用的推广与扩大，新基建以及交通车载雷达等多维度的感知传感技术应用需求正在逐步成长，对于多发多收成像类的毫米波传感器需求在质与量两方面同时走高，对于这类传感器芯片的开发以及制造提出了越来越高的挑战。
毫米波雷达工作在毫米波段，毫米波是指波长从0.1～1cm的电磁波，对应的频率范围为30～300GHz。毫米波传感器具有体积小、质量轻、空间分辨率高、抗干扰等优点，在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学和波谱学方面都有重大的意义。
传统的毫米波雷达芯片一般包含TR组件，本振信号发生包含调频模式产生等，中频模拟信号处理包含滤波以及模数转换，基带数字信号处理以及微处理器用于实际应用中的控制与判断。一般具有设计复杂的特点，当面临不同的收发阵列需求的时候难于扩展，有些传感器芯片具有级联扩展功能，但无论对于采用时分复用的MIMO形式还是相控阵的形式都具有级间接收通道校准困难、难于保证芯片间通道一致性的问题，部分芯片集成了射频调幅调相功能或者加入复杂的DSP可以部分解决这类问题，但造成了SOC集成困难与成本急剧上升，同时两颗同类芯片的级联也造成片上集成模块的浪费，对于芯片的广泛易用性有比较大的影响，比如TI的IWR6843等芯片，国内类似的级联方案如公开号为CN110927675中的方案都有类似问题。或类似公开号为CN112051565A中的方案因为级联扩展同时支持了发射与接收端所以采用了本振对准方案，增加了额外的难度，另外对接收阵列的扩展导致信号链路与信号处理也提出了更高的要求，例如公开号为CN106537170B中的方案。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种级联扩展的毫米波传感器芯片。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种级联扩展的毫米波传感器芯片。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种级联扩展的毫米波传感器芯片，所述毫米波传感器芯片包括级联设置的毫米波主控芯片及毫米波发射阵列扩展芯片，其中：
所述毫米波主控芯片包括第一接收单元、第一发送单元、及本振信号通路单元，第一接收单元配置有用于接收毫米波回波信号的若干第一接收端口，第一发送单元配置有用于发送毫米波信号的若干第一发送端口，本振信号通路单元用于在毫米波主控芯片上实现本振分配；
所述毫米波发射阵列扩展芯片包括第二接收单元、第二发送单元、及若干调相调幅单元，第二接收单元配置有用于接收第一发送单元发送的毫米波信号的第二接收端口，调相调幅单元用于控制各通道的相位与幅度，第二发送单元配置有用于输出各通道的毫米波信号的若干第二发送端口。
一实施例中，所述毫米波主控芯片配置有多个第一接收端口及至少一个第一发送端口，所述毫米波发射阵列扩展芯片配置有一个第二接收端口及多个第二发送端口。
一实施例中，所述毫米波主控芯片还包括与本振信号通路单元相连的本振扩展输入端口，本振扩展输入端口用于接收外部本振信号以驱动本振信号通路单元。
一实施例中，所述毫米波主控芯片还包括与本振信号通路单元相连的频率综合器、及与频率综合器相连的波形发生器，所述波形发生器和频率综合器用于驱动本振信号通路单元。
一实施例中，所述波形发生器还用于产生同步信号，以将毫米波发射阵列扩展芯片同步在相应的时序上，所述同步信号包括帧同步信号和调频脉冲扫频同步信号。
一实施例中，所述第一接收单元还包括基带处理模块或中频输出模块，以输出基带信号或中频信号。
一实施例中，所述毫米波发射阵列扩展芯片还包括第一功分器，用于将第二接收单元接收的毫米波信号分配至各调相调幅单元中。
一实施例中，所述毫米波发射阵列扩展芯片还包括中控模块，用于接收外部级联模式指令及同步信号，以控制调相调幅单元。
一实施例中，所述毫米波传感器芯片包括第一毫米波主控芯片、第一毫米波发射阵列扩展芯片、第二毫米波发射阵列扩展芯片及第二功分器，第二功分器连接于第一毫米波主控芯片的第一发送端口与第一毫米波发射阵列扩展芯片及第二毫米波发射阵列扩展芯片的第二接收端口之间。
一实施例中，所述毫米波传感器芯片包括第一毫米波主控芯片、第二毫米波主控芯片、第一毫米波发射阵列扩展芯片、第二毫米波发射阵列扩展芯片、第二功分器、第三功分器及耦合器，耦合器与第一毫米波主控芯片的第一发送端口相连，第二功分器连接于耦合器与第一毫米波发射阵列扩展芯片及第二毫米波发射阵列扩展芯片的第二接收端口之间，第三功分器连接于耦合器与第一毫米波主控芯片及第二毫米波主控芯片的本振扩展输入端口之间。
本发明具有以下有益效果：
本发明的毫米波传感器芯片采用毫米波主控芯片及毫米波发射阵列扩展芯片的级联结构，毫米波传感器芯片具有接收通道间相位与幅度匹配精度高的有点，发射阵列扩展芯片集成了多发射通道，各通道可分别调幅调相；
本发明简化了基于本振系统级联方式，具有结构简单、系统实现方便的特点，解决了传统多发多收毫米波传感器芯片集成复杂、通道间校准复杂效果差的问题，可广泛适用于物联网与人工智能及传统雷达等领域的传感器应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一具体实施例中毫米波主控芯片的架构示意图；
图2为本发明一具体实施例中毫米波发射阵列扩展芯片的架构示意图；
图3为本发明一具体实施例中级联扩展的毫米波传感器芯片的架构示意图；
图4为本发明另一具体实施例中级联扩展的毫米波传感器芯片的架构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种级联扩展的毫米波传感器芯片，包括级联设置的毫米波主控芯片及毫米波发射阵列扩展芯片，其中：
毫米波主控芯片包括第一接收单元、第一发送单元、及本振信号通路单元，第一接收单元配置有用于接收毫米波回波信号的若干第一接收端口，第一发送单元配置有用于发送毫米波信号的若干第一发送端口，本振信号通路单元用于在毫米波主控芯片上实现本振分配；
毫米波发射阵列扩展芯片包括第二接收单元、第二发送单元、及若干调相调幅单元，第二接收单元配置有用于接收第一发送单元发送的毫米波信号的第二接收端口，调相调幅单元用于控制各通道的相位与幅度，第二发送单元配置有用于输出各通道的毫米波信号的若干第二发送端口。
优选地，本发明中的毫米波主控芯片配置有多个第一接收端口及至少一个第一发送端口，毫米波发射阵列扩展芯片配置有一个第二接收端口及多个第二发送端口。
参图1所示为本发明一具体实施例中的毫米波主控芯片100，其包括第一接收单元1001、第一发送单元1002、及本振信号通路单元104，第一接收单元1001配置有用于接收毫米波回波信号202的若干第一接收端口102，第一发送单元1002配置有用于发送毫米波信号201的若干第一发送端口101，本振信号通路单元104用于在毫米波主控芯片上实现本振分配。
其中，本实施例中第一接收单元1001包括5个接收机及对应的5个第一接收端口102，第一发送单元1002包括2个发射机及对应的2个第一发送端口101。
优选地，第一接收单元1001还包括基带处理模块或中频输出模块107，以输出基带信号或中频信号。
进一步地，本实施例中毫米波主控芯片100还包括与本振信号通路单元104相连的本振扩展输入端口103，本振扩展输入端口103用于接收外部本振信号203以驱动本振信号通路单元104。
进一步地，毫米波主控芯片100还包括与本振信号通路单元104相连的频率综合器105、及与频率综合器相连的波形发生器106，波形发生器106和频率综合器105用于驱动本振信号通路单元104。另外，波形发生器106还用于产生同步信号204，以将毫米波发射阵列扩展芯片同步在相应的时序上，同步信号204包括帧同步信号和调频脉冲扫频同步信号。
本实施例中的毫米波主控芯片100可兼容一般IOT应用芯片，发射机数量可以较少，甚至只需要1个足以覆盖大多数IOT应用。本振扩展输入端口103为可选的，本振信号通路单元104可以选择由片上集成的频率综合器105或外部本振信号203来驱动；波形发生器106与频率综合器105配套设置，并可以产生帧同步信号和调频脉冲扫频同步信号，基带处理模块或中频输出模块107可以进行模拟与数字基带处理输出基带信号或直接输出中频信号。由于本振分配于片内完成，具有接收机通道间相位与幅度匹配精度高的特点。
参图2所示为本发明一具体实施例中的毫米波发射阵列扩展芯片300，其包括第二接收单元3001、第二发送单元3002、及若干调相调幅单元303，第二接收单元3001配置有用于接收毫米波信号212的第二接收端口302，调相调幅单元303用于控制各通道的相位与幅度，第二发送单元3002配置有用于输出各通道的毫米波信号211的若干第二发送端口301。
其中，本实施例中第二接收单元3001包括1个接收机及对应的1个第二接收端口302，第二发送单元3002包括4个发射机及对应的4个第二发送端口301，调相调幅单元303为调相调幅器，每个发射机对应一个调相调幅器。
进一步地，毫米波发射阵列扩展芯片300还包括第一功分器304及中控模块305，第一功分器304用于将第二接收单元接收的毫米波信号分配至各调相调幅单元中，中控模块305用于接收外部级联模式指令及同步信号，以发送控制信号306控制调相调幅单元。
本实施例中的毫米波发射阵列扩展芯片300可接收由毫米波主控芯片100或者其他信号源产生的毫米波信号212，通过第一功分器304将输入信号功率分配至各个通道，调相调幅单元303控制各个通道的相位与幅度从而实现相控阵能力；中控模块305接收外部级联模式指令(通道工作方式指令)及同步信号(MIMO方式)，并产生对各个通道的控制信号306。
参图3所示为本发明一具体实施例中级联扩展的毫米波传感器芯片，其包括第一毫米波主控芯片100、第一毫米波发射阵列扩展芯片300、第二毫米波发射阵列扩展芯片300’及第二功分器401，毫米波主控芯片与毫米波发射阵列扩展芯片的结构及原理如上述实施例所述，此处不再进行赘述。第二功分器401连接于第一毫米波主控芯片100的第一发送端口与第一毫米波发射阵列扩展芯片300及第二毫米波发射阵列扩展芯片300’的第二接收端口之间。
本实施例中第一毫米波主控芯片100产生的毫米波信号201经过可选的第二功分器401后驱动第一毫米波发射阵列扩展芯片300和第二毫米波发射阵列扩展芯片300’(因毫米波信号201功率可调，亦可不需要第二功分器401直接驱动单颗阵列扩展芯片)，同时通过阵列控制总线(包含同步信号与级联模式指令)控制各个阵列扩展芯片进入相应模式，并同步在相应时序上，每个不同通道的阵列毫米波信号211接到各自的天线上具有不同的相位与幅度组成相控阵阵列，或者按MIMO的方式控制通道启动顺序，主控芯片的接收单元按普通单芯片方式接收毫米波回波信号202即可。
本发明中主控芯片与扩展芯片的异构，重在扩展第一发送单元，而不扩展或者少扩展第一接收单元，以片内设计保证第一接收单元间的一致性以及所有第二发射单元间一致性，无需主控芯片与扩展芯片间校准。
在此种配置下，毫米波主控芯片无需额外的本振发射单元，主控芯片可完全省去本振收发所需要的射频信号管脚，减少了本振泄露，降低了接收通道间校准的设计复杂度。
参图4所示为本发明另一具体实施例中级联扩展的毫米波传感器芯片，其包括第一毫米波主控芯片100、第二毫米波主控芯片100’、第一毫米波发射阵列扩展芯片300、第二毫米波发射阵列扩展芯片300’、第二功分器401、第三功分器403及耦合器402，毫米波主控芯片与毫米波发射阵列扩展芯片的结构及原理如上述实施例所述，此处不再进行赘述。耦合器402与第一毫米波主控芯片100的第一发送端口相连，第二功分器401连接于耦合器402与第一毫米波发射阵列扩展芯片300及第二毫米波发射阵列扩展芯片300’的第二接收端口之间，第三功分器403连接于耦合器402与第一毫米波主控芯片100及第二毫米波主控芯片100’的本振扩展输入端口之间。
本实施例中利用毫米波主控芯片保留的本振扩展输入端口能实现除发射阵列扩展外的接收阵列扩展，此时多颗主控芯片接收阵列的本振信号都由各自的本振扩展输入端口给入。耦合器402从毫米波信号201分出部分能量通过第三功分器403驱动多颗毫米波发射阵列扩展芯片。这种形式发送单元扩展类似于图3，接收单元的组阵和使用方式类似于传统级联方式，此处不再赘述。
本发明采用适用于智能或物联网领域较少发射端口的毫米波主控芯片与毫米波发射阵列扩展芯片套片形式进行发射阵列级联扩展兼容大阵列成像应用是本发明的主要特征。适用于IOT领域的传感器芯片往往并没有太多收发数，而成像应用的阵列规模和收发数又难于预期，本发明结合了IOT传感器芯片与相控阵列的特点，基本形式为在一颗主控芯片上完成N发M收的毫米波传感器基本架构后(比如1发4收或更多接收)，利用集成电路一致性高的优点来保证接收通道间本振相位一致性。在阵列应用中利用毫米波主控芯片的发射机而非额外本振输出直接推动一颗多或多颗毫米波发射阵列扩展芯片的发射机，从而实现发射阵列的扩展，易于从N发M收的芯片快速扩展至较多发射同时具备调幅调相功能的N发M收，并且可以兼容传统的由M收扩展至更多接收的方式。
基于N发M收的射频发送单元直接做本振扩展是本发明的核心特征之一，毫米波发射阵列扩展芯片不再做本振的产生。在传统级联扩展时，会采用同类芯片或者套片通过本振扩展通路级联，主控N发M收芯片的发射只被简单的拓展，比如传统的1发4收芯片，级联后也只相当于2发8收，同时需要额外复杂的本振扩展收发系统。而采用本发明则比较简单的可以从1发4收扩展为4发4收或者8发4收甚至更多。同时本发明为主控芯片至少节约了一个本振发射端口，可以为了兼容传统的同类芯片间级联形式，保留本振接收端口；亦可以简化设计，只做发射端的扩展，从而省去本振接收端口，在主控芯片设计中，大幅减低射频出pin数量，同时极大便利了芯片布局与系统设计，增加了主控芯片适用的范围。
本发明可搭配适配的毫米波发射阵列扩展芯片是本发明的另一个重要特征。比如利用传统的相控阵发送单元产生4发或者8发甚至更多发送单元的扩展，同时由于主控芯片发射端口一般具有较高的输出功率，这种方式同时也便于同时推动更多颗发射扩展芯片，较易于形成更多发送单元的组合，同时这种形式保持了较小的接收通道数，从而给后续数字信号处理提供便利。
本发明包含由主控芯片产生发射通道同步信号分布以及基带信号处理的同步信号使得多芯片间易于实现级联或并联从而实现图像传感器的扩容是本发明的另一个重要特征，从而保证发送单元可以快速更新自己在时分复用中的顺序位置或在相控阵组合中的相位与幅度。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明的毫米波传感器芯片采用毫米波主控芯片及毫米波发射阵列扩展芯片的级联结构，毫米波传感器芯片具有接收通道间相位与幅度匹配精度高的有点，发射阵列扩展芯片集成了多发射通道，各通道可分别调幅调相；
本发明简化了基于本振系统级联方式，具有结构简单、系统实现方便的特点，解决了传统多发多收毫米波传感器芯片集成复杂、通道间校准复杂效果差的问题，可广泛适用于物联网与人工智能及传统雷达等领域的传感器应用。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种级联扩展的毫米波传感器芯片，其特征在于，所述毫米波传感器芯片包括级联设置的毫米波主控芯片及毫米波发射阵列扩展芯片，其中：
所述毫米波主控芯片包括第一接收单元、第一发送单元、及本振信号通路单元，毫米波主控芯片通过第一发送单元进行射频扩展，第一接收单元配置有用于接收毫米波回波信号的若干第一接收端口，第一发送单元配置有用于发送毫米波信号的若干第一发送端口，本振信号通路单元用于在毫米波主控芯片上实现本振分配；
所述毫米波发射阵列扩展芯片包括第二接收单元、第二发送单元、及若干调相调幅单元，第二接收单元配置有用于接收第一发送单元发送的毫米波信号的第二接收端口，调相调幅单元用于控制各通道的相位与幅度，第二发送单元配置有用于输出各通道的毫米波信号的若干第二发送端口。
2.根据权利要求1所述的级联扩展的毫米波传感器芯片，其特征在于，所述毫米波主控芯片配置有多个第一接收端口及至少一个第一发送端口，所述毫米波发射阵列扩展芯片配置有一个第二接收端口及多个第二发送端口。
3.根据权利要求1所述的级联扩展的毫米波传感器芯片，其特征在于，所述毫米波主控芯片还包括与本振信号通路单元相连的本振扩展输入端口，本振扩展输入端口用于接收外部本振信号以驱动本振信号通路单元。
4.根据权利要求1所述的级联扩展的毫米波传感器芯片，其特征在于，所述毫米波主控芯片还包括与本振信号通路单元相连的频率综合器、及与频率综合器相连的波形发生器，所述波形发生器和频率综合器用于驱动本振信号通路单元。
5.根据权利要求4所述的级联扩展的毫米波传感器芯片，其特征在于，所述波形发生器还用于产生同步信号，以将毫米波发射阵列扩展芯片同步在相应的时序上，所述同步信号包括帧同步信号和调频脉冲扫频同步信号。
6.根据权利要求1所述的级联扩展的毫米波传感器芯片，其特征在于，所述第一接收单元还包括基带处理模块或中频输出模块，以输出基带信号或中频信号。
7.根据权利要求1所述的级联扩展的毫米波传感器芯片，其特征在于，所述毫米波发射阵列扩展芯片还包括第一功分器，用于将第二接收单元接收的毫米波信号分配至各调相调幅单元中。
8.根据权利要求5所述的级联扩展的毫米波传感器芯片，其特征在于，所述毫米波发射阵列扩展芯片还包括中控模块，用于接收外部级联模式指令及同步信号，以控制调相调幅单元。
9.根据权利要求1所述的级联扩展的毫米波传感器芯片，其特征在于，所述毫米波传感器芯片包括第一毫米波主控芯片、第一毫米波发射阵列扩展芯片、第二毫米波发射阵列扩展芯片及第二功分器，第二功分器连接于第一毫米波主控芯片的第一发送端口与第一毫米波发射阵列扩展芯片及第二毫米波发射阵列扩展芯片的第二接收端口之间。
10.根据权利要求3所述的级联扩展的毫米波传感器芯片，其特征在于，所述毫米波传感器芯片包括第一毫米波主控芯片、第二毫米波主控芯片、第一毫米波发射阵列扩展芯片、第二毫米波发射阵列扩展芯片、第二功分器、第三功分器及耦合器，耦合器与第一毫米波主控芯片的第一发送端口相连，第二功分器连接于耦合器与第一毫米波发射阵列扩展芯片及第二毫米波发射阵列扩展芯片的第二接收端口之间，第三功分器连接于耦合器与第一毫米波主控芯片及第二毫米波主控芯片的本振扩展输入端口之间。
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