CN115932748B - 片上射频雷达发射系统、片上射频雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种片上射频雷达发射系统、片上射频雷达。其中，发射系统包括：压控振荡器，包括LC谐振腔，用于输出本振信号，其中，LC谐振腔中的电感复用变压器的初级线圈；变压器，变压器的次级线圈的第一端为输出端，变压器的次级线圈的第二端接地，变压器用于对本振信号进行差分转单端处理，并将处理后的本振信号通过输出端输出。该系统可以降低片上射频雷达的尺寸和功耗。
Description
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种片上射频雷达发射系统、片上射频雷达。
背景技术
射频表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从300kHz～300GHz之间，不易受到干扰，具有探测性能稳定、环境适应性能好的特点。对于片上的射频雷达，其对空间尺寸的要求较高，而相关技术中的射频雷达尺寸较大，难以满足需求。而且，相关技术中片上的射频雷达功耗较大，难以满足需求。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种片上射频雷达发射系统，以降低片上射频雷达的尺寸和功耗。
本发明的第二个目的在于提出一种片上射频雷达。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种片上射频雷达发射系统，所述系统包括：压控振荡器，包括LC谐振腔，用于输出本振信号，其中，所述LC谐振腔中的电感复用变压器的初级线圈；所述变压器，所述变压器的次级线圈的第一端为输出端，所述变压器的次级线圈的第二端接地，所述变压器用于对所述本振信号进行差分转单端处理，并将处理后的本振信号通过所述输出端输出。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种片上射频雷达，包括上述的片上射频雷达发射系统。
根据本发明实施例的片上射频雷达发射系统、片上射频雷达，设置包括压控振荡器和变压器，其中，压控振荡器包括LC谐振腔，用于输出本振信号，其中，LC谐振腔中的电感复用变压器的初级线圈，变压器的次级线圈的第一端为输出端，变压器的次级线圈的第二端接地，变压器用于对本振信号进行差分转单端处理，并将处理后的本振信号通过输出端输出。由此，通过设置LC谐振腔复用变压器的初级线圈，使得变压器起到谐振腔电感和输出巴伦的双重作用，实现了低尺寸的片上射频雷达发射系统，从而降低了片上射频雷达的尺寸。而且，由于LC谐振腔中的电感复用变压器的初级线圈，使得变压器同时起到生成本振信号和输出信号的作用，缩短了信号通路经过的长度，减小了信号功率的损耗，降低了功耗。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是一个示例的射频雷达发射电路的电路图；
图2是一个示例的射频雷达发射电路的电路版图；
图3是一个示例的射频雷达发射电路的性能图；
图4是根据一个具体实施例的片上射频雷达发射系统的电路图；
图5是根据一个具体实施例的片上射频雷达发射系统的电路版图；
图6是根据一个具体实施例的片上射频雷达发射系统的性能图；
图7是根据一个或多个实施例的片上射频雷达的结构框图。
具体实施方式
下面参考附图描述本发明实施例的片上射频雷达发射系统、片上射频雷达，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。参考附图描述的实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。
为了实现片上射频雷达，可以设计如图1所示的射频雷达发射电路，射频雷达采用图1所示的射频雷达发射电路，可以减小射频雷达的尺寸。
其中，图1所示的发射电路包括片上VCO（Voltage Controlled Oscillator，压控振荡器）和片上PA（Power Amplifier，功率放大器）。片上VCO，是射频雷达电路的重要组成部分，其采用电压控制振荡回路中电容的电容量的方式，改变振荡回路谐振频率。为了获得更好的相位噪声，可以采用差分形式的VCO，因为差分信号可以抑制地噪声或电源噪声，相位抖动较小。片上PA，是用于输出大功率信号的放大电路。对于片上PA而言，其输出级需要带动片外的负载，如天线等，常为单端输出形式。差分转单端电路一般通过巴伦器件实现。
在射频应用中工作频率较高，VCO与PA都需要使用电感、变压器这些感性器件，以便与电容形成高Q值的谐振腔。
在低功耗应用中，由于雷达应用只需要发射本振而不需要调制信号，因此VCO与PA可以通过直接耦合、电容耦合或变压器耦合等方式直接级联在一起，以减少能量损耗降低功耗。在VCO与PA之间使用倍频器或分频器的方案会引起额外的功耗，不适用于低功耗应用。
在图1中，VCO与PA直接级联在一起。VCO由M1、M2、M3、M4两对MOS管提供负阻，由C1、C2的电容阵列与L1形成LC谐振腔，输出V+/V-本振信号。PA收到本振信号后，通过M5和M6进行放大，之后通过T2巴伦进行差分转单端，送出片外。
片上巴伦的占用面积基本等同于感值相同的单级电感。图1所示的方案至少要使用2个感性器件L1、T2，所占用的较大面积导致信号从VCO产生到PA的输出端走过了较远的距离，从而产生损耗。PA需要通过一定的电流消耗放大信号，补足这一部分损耗的信号功率，或者进一步提升信号的功率。
图1所示的方案，尺寸可以参见图2所示的版图，性能可以参见图3，即图1所示的方案，VCO和PA（包括输出PAD）占用的总面积为500×280μm2，在9.8GHz–10.7GHz之间，输出功率约为+3dBm，整体功耗约为12.8mW，且不随频率变化而改变。
因而，本发明提出一种片上射频雷达发射系统。
图4是本发明一个实施例的片上射频雷达发射系统的结构框图。
如图4所示，片上射频雷达发射系统100，包括：压控振荡器101，包括LC谐振腔，用于输出本振信号，其中，LC谐振腔中的电感复用变压器T3的初级线圈；变压器T3的次级线圈的第一端为输出端Vout，变压器T3的次级线圈的第二端接地，变压器T3用于对本振信号进行差分转单端处理，并将处理后的本振信号通过输出端Vout输出。需要说明的是，图4中所使用的压控振荡器101仅仅为一个具体实施例，在实际应用中不局限于此。
具体地，压控振荡器101中的LC谐振腔中的电感复用变压器T3的初级线圈，输出本振信号。变压器T3还对本振信号进行差分转单端处理，送出片外。
由此，通过变压器T3与压控振荡器101之间的结合，可以实现较小尺寸的发射系统。
而且，变压器T3同时起到压控振荡器101谐振腔电感和输出巴伦的双重作用，从而通过恰当结合感性器件，使得发射电路仅需使用1个感性器件，减小了芯片的面积，缩短了信号通路经过的长度，减小了信号功率的损耗，降低了电路总体的功耗。
在图4所示的具体实施例中，LC谐振腔还包括：
第一电容阵列和第二电容阵列，第一电容阵列的第一端与第二电容阵列的第一端连接，并用以接入控制电压Vctrl，第一电容阵列的第二端与变压器T3的初级线圈的第一端连接，第二电容阵列的第二端与变压器T3的初级线圈的第二端连接。
第一电容阵列包括：
第一可变电容C3，第一可变电容C3的一端用以接入控制电压Vctrl，第一可变电容C3的另一端与变压器T3的初级线圈的第一端连接。
第二电容阵列，包括：
第二可变电容C4，第二可变电容C4的一端用以接入控制电压Vctrl，第二可变电容C4的另一端与变压器T3的初级线圈的第二端连接。
第一电容阵列还包括N个第一电容，第二电容阵列还包括N个第二电容，N个第一电容与N个第二电容一一对应，N为正整数；其中，
每个第一电容的一端与第一可变电容C3的另一端连接，每个第一电容的另一端用过可控开关与对应的述第二电容的一端连接，每个第二电容的另一端与第二可变电容C4的另一端连接。
压控振荡器101还包括：
负阻电路，负阻电路的第一端与预设电源连接，负阻电路的第二端接地，负阻电路的第三端与初级线圈的第一端连接，负阻电路的第四端与初级线圈的第二端连接，负阻电路用于提供负阻。
负阻电路包括：第一开关管M5、第二开关管M6、第三开关管M7和第四开关管M8；其中，
第一开关管M5的第一端与第一电容阵列的第二端连接，第一开关管M5的控制端与第二开关管M6的第一端连接，第一开关管M5的第二端与预设电源VDD连接；
第二开关管M6的第一端还与第二电容阵列的第二端连接，第二开关管M6的控制端与第一开关管M5的第一端连接，第二开关管M6的第二端与预设电源VDD连接。
第三开关管M7的第一端与第一电容阵列的第二端连接，第三开关管M7的控制端与第四开关管M8的第一端连接，第三开关管M7的第二端接地；
第四开关管M8的第一端与第二电容阵列的第二端连接，第四开关管M8的控制端与第三开关管M7的第一端连接，第四开关管M8的第二端接地。
其中，上述第一开关管M5、第二开关管M6、第三开关管M7和第四开关管M8均为MOS（Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管）管。
具体地，在图4所示的具体实施例中，VCO由M5、M6、M7、M8两对MOS管提供负阻，由C3、C4的电容阵列与变压器T3的初级线圈组成LC谐振腔，输出V+/V-本振信号。变压器T3还对本振信号进行差分转单端处理，送出片外。
若对于图4所示的具体实施例，尺寸可以参见图5所示的版图，性能可以参见图6，其中，图6中的原解决方案指图1所示的方案，图6中的现解决方案指图4所示的具体实施例。明显的，图4所示的具体实施例，发射系统的尺寸为300×180μm2，在9.8GHz–10.7GHz之间，输出功率约为+3dBm，整体功耗约为9.3mW，相较于图1所示的方案，在输出功率大致一致的前提下，降低了尺寸和功耗。
综上，本发明实施例的片上射频雷达发射系统，设置包括压控振荡器和变压器，其中，压控振荡器包括LC谐振腔，用于输出本振信号，其中，LC谐振腔中的电感复用变压器的初级线圈，变压器的次级线圈的第一端为输出端，变压器的次级线圈的第二端接地，变压器用于对本振信号进行差分转单端处理，并将处理后的本振信号通过输出端输出。由此，通过设置LC谐振腔复用变压器的初级线圈，使得变压器起到谐振腔电感和输出巴伦的双重作用，实现在保证输出功率的前提下，降低了尺寸和功耗。
进一步地，本发明提出一种片上射频雷达。
图7是本发明实施例的片上射频雷达的结构框图。
如图7所示，片上射频雷达10，包括上述的片上射频雷达发射系统100。
本发明实施例的片上射频雷达，包括上述的片上射频雷达发射系统，通过设置LC谐振腔复用变压器的初级线圈，使得变压器起到谐振腔电感和输出巴伦的双重作用，实现在保证输出功率的前提下，降低了尺寸和功耗。
需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本说明书的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，除非另有说明，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种片上射频雷达发射系统，其特征在于，所述系统包括：
压控振荡器，包括LC谐振腔，用于输出本振信号，其中，所述LC谐振腔中的电感复用变压器的初级线圈；
所述变压器，所述变压器的次级线圈的第一端为输出端，所述变压器的次级线圈的第二端接地，所述变压器用于对所述本振信号进行差分转单端处理，并将处理后的本振信号通过所述输出端输出。
2.根据权利要求1所述的片上射频雷达发射系统，其特征在于，所述LC谐振腔还包括：
第一电容阵列和第二电容阵列，所述第一电容阵列的第一端与所述第二电容阵列的第一端连接，并用以接入控制电压，所述第一电容阵列的第二端与所述变压器的初级线圈的第一端连接，所述第二电容阵列的第二端与所述变压器的初级线圈的第二端连接。
3.根据权利要求2所述的片上射频雷达发射系统，其特征在于，所述第一电容阵列包括：
第一可变电容，所述第一可变电容的一端用以接入控制电压，所述第一可变电容的另一端与所述变压器的初级线圈的第一端连接。
4.根据权利要求3所述的片上射频雷达发射系统，其特征在于，所述第二电容阵列，包括：
第二可变电容，所述第二可变电容的一端用以接入控制电压，所述第二可变电容的另一端与所述变压器的初级线圈的第二端连接。
5.根据权利要求4所述的片上射频雷达发射系统，其特征在于，所述第一电容阵列还包括N个第一电容，所述第二电容阵列还包括N个第二电容，N个所述第一电容与N个所述第二电容一一对应，N为正整数；其中，
每个所述第一电容的一端与所述第一可变电容的另一端连接，每个所述第一电容的另一端用过可控开关与对应的所述第二电容的一端连接，每个所述第二电容的另一端与所述第二可变电容的另一端连接。
6.根据权利要求2所述的片上射频雷达发射系统，其特征在于，所述压控振荡器还包括：
负阻电路，所述负阻电路的第一端与预设电源连接，所述负阻电路的第二端接地，所述负阻电路的第三端与所述初级线圈的第一端连接，所述负阻电路的第四端与所述初级线圈的第二端连接，所述负阻电路用于提供负阻。
7.根据权利要求6所述的片上射频雷达发射系统，其特征在于，所述负阻电路包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；其中，
所述第一开关管的第一端与所述第一电容阵列的第二端连接，所述第一开关管的控制端与所述第二开关管的第一端连接，所述第一开关管的第二端与预设电源连接；
所述第二开关管的第一端还与所述第二电容阵列的第二端连接，所述第二开关管的控制端与所述第一开关管的第一端连接，所述第二开关管的第二端与所述预设电源连接；
所述第三开关管的第一端与所述第一电容阵列的第二端连接，所述第三开关管的控制端与所述第四开关管的第一端连接，所述第三开关管的第二端接地；
所述第四开关管的第一端与所述第二电容阵列的第二端连接，所述第四开关管的控制端与所述第三开关管的第一端连接，所述第四开关管的第二端接地。
8.根据权利要求7所述的片上射频雷达发射系统，其特征在于，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管均为MOS管。
9.根据权利要求1所述的片上射频雷达发射系统，其特征在于，所述系统的尺寸为300×180μm2。
10.一种片上射频雷达，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的片上射频雷达发射系统。
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