DE102020005491A1

DE102020005491A1 - Radararrayphasenschieberverifikation

Info

Publication number: DE102020005491A1
Application number: DE102020005491.9A
Authority: DE
Inventors: Tom Heller; Oded Katz; Danny Elad; Benny Sheinman
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Ay Dee Kay LLC
Priority date: 2019-09-10
Filing date: 2020-09-08
Publication date: 2021-03-11
Also published as: US11226405B2; US11879961B2; US20210072369A1; US20220229166A1

Abstract

Es wird eine verbesserte Schaltungskonfiguration zum Kalibrieren und/oder Verifizieren des Betriebs von Phasenschiebern in einem Phased-Array-Radarsystem offenbart. In einer veranschaulichenden Ausführungsform schließt ein Verfahren ein: (i) Programmieren eines Satzes von Phasenschiebern, um ein Hochfrequenzsignal in einen Satz von Kanalsignalen umzuwandeln; (ii) Abspalten eines Überwachungssignals von jedem Kanalsignal, während der Satz von Kanalsignalen mit einem Satz von Antennenspeisungen gekoppelt wird; und (iii) während des paarweisen Aufnehmens der zu benachbarten Kanälen gehörigen Überwachungssignale Messen einer relativen Phase zwischen jedem Paar von Überwachungssignalen.

Description

HINTERGRUND
Bei der Suche nach immer sichereren und bequemeren Transportoptionen entwickeln viele Automobilhersteller selbstfahrende Autos, die eine beeindruckende Anzahl und Vielzahl von Sensoren erfordern. Unter den in Betracht gezogenen Erfassungstechnologien sind Radarsysteme mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen, um die Abstände zwischen dem Auto und Fahrzeugen oder Hindernissen entlang des Fahrwegs zu überwachen. Solche Systeme können Strahllenkungstechniken einsetzen, um ihren Messbereich und ihre Auflösung zu verbessern.
Sendeseitig erfolgt eine Strahllenkung häufig unter Verwendung eines phasengesteuerten Arrays, d. h. durch Liefern eines Sendesignals mit unterschiedlichen Phasenverschiebungen an jede von mehreren Antennen, wobei die Strahlrichtung durch die Differenzen zwischen den Phasenverschiebungen bestimmt wird. Wenn die Phasendifferenzen variiert werden, um den Strahl zu lenken, ist es wünschenswert, dass die Signalamplituden gleich bleiben. Eine Vorrichtungsfehlanpassung, selbst diejenige aufgrund von Temperatur und Alterung, kann das Strahlmuster verzerren und kann sogar eine Nebenkeulenbildung verursachen. Solche Auswirkungen können die scheinbare Richtung von Hindernissen verschieben oder Nullen erzeugen, die Hindernisse vollständig „verbergen“. Somit können Kraftfahrzeugradarsicherheitsstandards oder eine umsichtige Konstruktion allein vorgeben, dass ein Mechanismus enthalten ist, um die Phasenschieber zu kalibrieren und/oder deren ordnungsgemäßen Betrieb zu verifizieren. Bestehende Mechanismen für diesen Zweck können die Kosten oder die Zuverlässigkeit der Kraftfahrzeugradarsysteme ungebührlich beeinträchtigen.
KURZDARSTELLUNG
Die oben identifizierten Probleme können mindestens teilweise durch eine verbesserte Schaltungskonfiguration zum Kalibrieren und/oder Verifizieren des Betriebs von Phasenschiebern in einem Phased-Array-Radarsystem behandelt werden. In einer veranschaulichenden Ausführungsform schließt ein Verfahren ein: (i) Programmieren eines Satzes von Phasenschiebern, um ein Hochfrequenzsignal in einen Satz von Kanalsignalen umzuwandeln; (ii) Abspalten eines Überwachungssignals von jedem Kanalsignal, während der Satz von Kanalsignalen mit einem Satz von Antennenspeisungen gekoppelt wird; und (iii) während des paarweisen Aufnehmens der zu benachbarten Kanälen gehörigen Überwachungssignale, Messen einer relativen Phase zwischen jedem Paar von Überwachungssignalen.
In einer anderen veranschaulichenden Ausführungsform schließt ein Radarsystem ein: einen Signalgenerator, der ein Hochfrequenzsignal liefert; einen Satz programmierbarer Phasenschieber, die das Hochfrequenzsignal in einen Satz von Kanalsignalen umwandeln; und einen Satz von Kopplern, der den Satz von Kanalsignalen mit einem Satz von Antennenspeisungen koppelt, wobei die Koppler in dem Satz Überwachungssignale bereitstellen. Das System schließt ferner einen oder mehrere Leistungskombinatoren, die jeweils ein Paar von Überwachungssignalen kombinieren, um ein kombiniertes Signal zu erzeugen; und einen oder mehrere Leistungsdetektoren, die jeweils ein jeweiliges kombiniertes Signal in ein Leistungspegelsignal umwandeln, ein. Eine Steuerung verwendet mindestens eines der Leistungspegelsignale, um eine relative Phase zwischen mindestens einem Paar von Kanalsignalen in dem Satz von Kanalsignalen zu bestimmen.
In noch einer anderen veranschaulichenden Ausführungsform schließt ein Radarsystem ein: einen Signalgenerator, der ein Hochfrequenzsignal liefert; einen Satz programmierbarer Phasenschieber, die das Hochfrequenzsignal in einen Satz von Kanalsignalen umwandeln; und einen Satz von Kopplern, der den Satz von Kanalsignalen mit einem Satz von Antennenspeisungen koppelt, wobei die Koppler in dem Satz Überwachungssignale bereitstellen. Ein oder mehrere Phasendetektoren sind vorgesehen, um jeweils eine relative Phase zwischen Überwachungssignalen für ein Paar benachbarter Kanäle zu bestimmen.
Jede der vorgenannten Ausführungsformen kann einzeln oder in Verbindung verwendet werden und kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale in jeder geeigneten Kombination aufweisen: 1. Bereitstellen einer Fehlerbenachrichtigung, wenn eine der relativen Phasenmessungen nicht mit einer Differenz der programmierten Phasenverschiebungen des Satzes von Phasenschiebern übereinstimmt. 2. Erfassen von sequentiellen relativen Phasenmessungen über einen Bereich von Phaseneinstellungen von Phasenschiebern, die geraden Kanälen zugeordnet sind, während eine Phaseneinstellung von Phasenschiebern, die ungeraden Kanälen zugeordnet sind, beibehalten wird, und Erfassen von sequentiellen relativen Phasenmessungen über einen Bereich von Phaseneinstellungen von Phasenschiebern, die ungeraden Kanälen zugeordnet sind, während eine Phaseneinstellung von Phasenschiebern, die geraden Kanälen zugeordnet sind, beibehalten wird. 3. Bereitstellen einer Fehlerbenachrichtigung, wenn eine Differenz zwischen sequentiellen relativen Phasenmessungen nicht mit einer vorbestimmten Schrittgröße übereinstimmt. 4. Bestimmen eines Phaseneinstellungsversatzes für jedes Paar basierend auf den relativen Phasenmessungen. 5. Das Bestimmen schließt ein Messen der relativen Phase über einen Bereich von Phaseneinstelldifferenzen für benachbarte Kanäle ein. 6. Das Messen schließt ein:

Kombinieren jedes Paars von Überwachungssignalen, um ein kombiniertes Signal zu bilden; und Messen einer Leistung jedes kombinierten Signals. 7. Deaktivieren von Verstärkern mit einstellbarer Verstärkung, die ungeraden Kanälen zugeordnet sind, während die Leistung jedes kombinierten Signals gemessen wird; Deaktivieren von Verstärkern mit einstellbarer Verstärkung, die geraden Kanälen zugeordnet sind, während die Leistung jedes kombinierten Signals gemessen wird; und basierend auf den Leistungsmessungen, Einstellen von Verstärkungen der Verstärker mit einstellbarer Verstärkung, um die Leistung jedes Kanalsignals in dem Satz von Kanalsignalen auszugleichen. 8. Die Steuerung verwendet das mindestens eine Leistungspegelsignal, um einen Phaseneinstellungsversatz für jedes Paar zu bestimmen. 9. Die Steuerung bestimmt den Phaseneinstellungsversatz durch: Messen von mindestens einem Leistungspegelsignal über einen Bereich von Phaseneinstelldifferenzen für benachbarte Kanäle und Identifizieren eines Leistungspegelmaximums oder -minimums, das dem Phaseneinstellungsversatz entspricht. 10. Der eine oder die mehreren Leistungskombinatoren sind gegenphasige Kombinatoren, und der Phaseneinstellungsversatz entspricht einem Leistungspegelminimum. 11. Der eine oder die mehreren Leistungskombinatoren sind gleichphasige Kombinatoren, und der Phaseneinstellungsversatz entspricht einem Leistungspegelmaximum. 12. Ein Satz Verstärker mit einstellbarer Verstärkung, die den Satz von Kanalsignalen, welche an den Satz von Kopplern bereitgestellt werden, verstärken. 13. Vor dem Bestimmen der relativen Phase stellt die Steuerung Verstärkungen der Verstärker mit einstellbarer Verstärkung ein, um die Leistung jedes Kanalsignals in dem Satz von Kanalsignalen auszugleichen. 14. Vor dem Ausgleichen von Leistung deaktiviert die Steuerung die Verstärker mit einstellbarer Verstärkung, die ungeraden Kanälen zugeordnet sind, während die Leistung jedes kombinierten Signals gemessen wird; und deaktiviert die Verstärker mit einstellbarer Verstärkung, die geraden Kanälen zugeordnet sind, während die Leistung jedes kombinierten Signals gemessen wird. 15. Eine Steuerung, die:
- sequentielle relative Phasenmessungen über einen Bereich von Phaseneinstellungen von Phasenschiebern, die geraden Kanälen zugeordnet sind, erfasst, während eine Phaseneinstellung von Phasenschiebern, die ungeraden Kanälen zugeordnet sind, beibehalten wird; sequentielle relative Phasenmessungen über einen Bereich von Phaseneinstellungen von Phasenschiebern, die ungeraden Kanälen zugeordnet sind, erfasst, während eine Phaseneinstellung von Phasenschiebern, die geraden Kanälen zugeordnet sind, beibehalten wird; und eine Fehlerbenachrichtigung bereitstellt, wenn eine Differenz zwischen sequentiellen relativen Phasenmessungen nicht mit einer vorbestimmten Schrittgröße übereinstimmt. 16. Der eine oder die mehreren Phasendetektoren umfassen ein Paar von Phasendetektoren, das eine erste relative Phase zwischen einem Mittenkanal und einem ersten benachbarten Kanal und eine zweite relative Phase zwischen dem Mittenkanal und einem zweiten benachbarten Kanal bestimmt, wobei das System ferner eine Steuerung umfasst, die eine Differenz zwischen der ersten und der zweiten relativen Phase berechnet. 17. Die Steuerung stellt eine Fehlerbenachrichtigung bereit, wenn die Differenz nicht mit einer erwarteten Differenz basierend auf Phaseneinstellungen der Phasenschieber, die dem Mittenkanal, dem ersten benachbarten Kanal und dem zweiten benachbarten Kanal zugeordnet sind, übereinstimmt. 18. Die erwartete Differenz ist (j + 1 - 2k) Δθ_s, wobei j, k und 1 für Phaseneinstellungen des ersten benachbarten Kanals, des Mittenkanals bzw. des zweiten benachbarten Kanals stehen und Δθ_s für eine vorbestimmte Schrittänderung steht.

Figurenliste

1 ist eine Draufsicht eines veranschaulichenden, mit Sensoren ausgestatteten Fahrzeugs.
2 ist ein Blockdiagramm eines veranschaulichenden Fahrerassistenzsystems.
3 ist ein Blockdiagramm eines veranschaulichenden Radar-Sender-Empfänger-Chips.
4 ist ein Blockdiagramm eines veranschaulichenden Phasenverschiebungsübertragungsarrays.
5 ist eine schematische Darstellung eines veranschaulichenden Phasendetektors.
6 ist eine schematische Darstellung einer veranschaulichenden Kalibrierungsschaltung.
7 ist eine schematische Darstellung einer veranschaulichenden Verifikationsschaltung.
8 ist eine schematische Darstellung einer anderen veranschaulichenden Kalibrierungsschaltung.
9A ist ein Graph der Ausgabe eines gegenphasigen Kombinators gegenüber einer Phase.
9B ist ein Graph der Ausgabe eines gleichphasigen Kombinators gegenüber einer Phase.
10A ist ein Flussdiagramm einer veranschaulichenden Verifikationsmethode.
10B ist ein Flussdiagramm einer veranschaulichenden Kalibrierungsmethode.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es versteht sich, dass die folgende Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen zur Erläuterung und nicht zur Einschränkung der Offenbarung bereitgestellt werden. Sie stellen vielmehr die Grundlage für das Verständnis eines Fachmanns aller Modifikationen, Äquivalente und Alternativen bereit, die innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche fallen.
1 zeigt ein veranschaulichendes Fahrzeug 102, das mit einer Reihe von Radarantennen ausgestattet ist, einschließlich Antennen 104 für die Nahbereichserfassung (z. B. für Einparkhilfe), Antennen 106 für die Mittelbereichserfassung (z. B. zur Überwachung von Stop-and-Go-Verkehr und Einsatzereignissen), Antennen 108 für die Langstreckenerfassung (z. B. für die adaptive Geschwindigkeitsregelung und Kollisionswarnung), von denen jede hinter der vorderen Stoßfängerabdeckung angeordnet sein kann. Die Antennen 110 für die Kurzstreckenerfassung (z. B. für die Rückfahrhilfe) und 112 für die Mittelstreckenerfassung (z. B. für die Warnung vor Rückwärtskollisionen) können hinter der hinteren Stoßfängerabdeckung angeordnet sein. Die Antennen 114 für die Nahbereichserfassung (z. B. für die Überwachung des toten Winkels und die Erkennung von seitlichen Hindernissen) können hinter den Kotflügeln angeordnet sein. Jeder Antennensatz kann eine Radarerfassung mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO) durchführen. Art, Anzahl und Konfiguration der Sensoren in der Sensoranordnung für Fahrzeuge mit Fahrerassistenz- und Selbstfahrfunktionen variieren.
Das Fahrzeug kann die Sensoranordnung zum Erkennen und Messen von Abständen/Richtungen zu Objekten in den verschiedenen Erkennungsbereichen verwenden, um dem Fahrzeug die Navigation unter Umgehung anderer Fahrzeuge und Hindernisse zu ermöglichen.
2 zeigt eine elektronische Steuereinheit (ECU) 202, die mit den verschiedenen Radarerfassungs-Front-Ends 204-206 als Zentrum einer Sterntopologie gekoppelt ist. Selbstverständlich sind andere Topologien, einschließlich serieller, paralleler und hierarchischer (Baum-)Topologien, ebenfalls geeignet und werden zur Verwendung gemäß den hierin offenbarten Prinzipien in Betracht gezogen. Die Radarerfassungs-Front-Ends schließen jeweils einen Hochfrequenz-Sender-Empfänger (HF-Sender-Empfänger) ein, der mit einigen der Sende- und Empfangsantennen 104-114 gekoppelt ist, um elektromagnetische Wellen zu senden, Reflexionen zu empfangen und um optional eine Verarbeitung zum Bestimmen einer räumlichen Beziehung des Fahrzeugs zu seiner Umgebung durchzuführen. (Eine solche Verarbeitung kann alternativ durch die ECU 202 durchgeführt werden.) Um automatisierte Parkassistenz bereitzustellen, kann die ECU 202 ferner mit einer Gruppe von Aktoren verbunden sein, wie etwa mit einem Fahrtrichtungsanzeigeaktor 208, einem Lenkungsaktor 210, einem Bremsaktor 212 und einem Gaspedalaktor 214. Die ECU 202 kann ferner mit einer interaktiven Benutzerschnittstelle 216 gekoppelt sein, um Benutzereingaben aufzunehmen und eine Anzeige der verschiedenen Messungen und des Systemstatus bereitzustellen.
Unter Verwendung der Schnittstelle, der Sensoren und Aktoren kann die ECU 202 automatisiertes Einparken, assistiertes Einparken, Spurwechselassistenz, Hindernis- und Totwinkel-Erkennung, autonomes Fahren und andere wünschenswerte Merkmale bereitstellen. In einem Auto werden die verschiedenen Sensormessungen von einer oder mehreren elektronischen Steuereinheiten (ECU) erfasst und können von der ECU verwendet werden, um den Status des Autos zu bestimmen. Die ECU kann ferner auf den Status und die eingehenden Informationen reagieren, um verschiedene Signal- und Steuerungswandler zu betätigen, um den Betrieb des Autos einzustellen und beizubehalten. Zu den Funktionen, die von der ECU bereitgestellt werden können, gehören verschiedene Fahrerassistenzfunktionen, wie automatisches Einparken, Spurfolgen, automatisches Bremsen und Selbstfahren.
Um die erforderlichen Messungen zu erheben, kann die ECU ein MIMO-Radarsystem verwenden. Radarsysteme arbeiten durch das Emittieren von elektromagnetischen Wellen, die sich von der Sendeantenne nach außen bewegen, bevor sie zu einer Empfangsantenne zurückreflektiert werden. Bei dem Reflektor kann es sich um jedes mäßig reflektierende Objekt in der Bahn der emittierten elektromagnetischen Wellen handeln. Durch die Messung der Laufzeit der elektromagnetischen Wellen von der Sendeantenne zum Reflektor und zurück zur Empfangsantenne kann das Radarsystem den Abstand zum Reflektor bestimmen. Werden mehrere Sende- oder Empfangsantennen verwendet oder werden mehrere Messungen an verschiedenen Positionen durchgeführt, kann das Radarsystem die Richtung zu dem Reflektor bestimmen und somit die Position des Reflektors in Bezug auf das Fahrzeug verfolgen. Durch eine ausgefeiltere Verarbeitung können mehrere Reflektoren verfolgt werden. Zumindest einige Radarsysteme verwenden eine Array-Verarbeitung, um einen gerichteten Strahl elektromagnetischer Wellen zu „scannen“ und ein Bild der Umgebung des Fahrzeugs zu erstellen. Sowohl gepulste als auch kontinuierliche Wellenimplementierungen von Radarsystemen können implementiert werden, wobei frequenzmodulierte kontinuierliche Wellenradarsysteme aufgrund ihrer Genauigkeit generell bevorzugt werden.
3 zeigt ein Blockdiagramm eines veranschaulichenden Sender-Empfänger-Chips 300 für ein Radarsystem. Der Chip 300 weist Antennenspeisungen oder -anschlüsse auf, die mit einem Array von Sendeantennen 301 und Empfangsantennen 302 gekoppelt sind. Verstärker mit einstellbarer Verstärkung 303A-303D steuern die Sendeantennen 301 mit verstärkten Signalen von der Senderschaltung 304 an. Die Schaltungsanordnung 304 erzeugt ein Trägersignal innerhalb eines programmierbaren Frequenzbands unter Verwendung einer programmierbaren Chirp-Rate und -Reichweite. Der Signalgenerator kann einen spannungsgesteuerten Oszillator mit geeigneten Frequenzmultiplizierern einsetzen. Teiler und Phasenschieber leiten die Sendesignale für die mehreren Sender TX-1 bis TX-4 ab, um gleichzeitig zu arbeiten, und stellen ferner ein „Lokaloszillator“-Referenzsignal an die Empfänger zur Verwendung in dem Abwärtsumwandlungsprozess bereit. In dem veranschaulichten Beispiel schließt der Sender-Empfänger-Chip 300 4 Sender (TX-1 bis TX-4) ein, von denen jeder fest mit einer entsprechenden Sendeantenne 301 gekoppelt ist. In alternativen Ausführungsformen sind mehrere Sendeantennen wahlweise mit jedem der Sender gekoppelt.
Der Chip 300 schließt ferner 4 Empfänger (RX-1 bis RX-4) ein, von denen jeder auswählbar mit zwei der Empfangsantennen 302 gekoppelt ist, wodurch ein rekonfigurierbares MIMO-System mit 8 Empfangsantennen bereitgestellt wird, von denen vier gleichzeitig eingesetzt werden können, um Messdaten zu erfassen. Vier Analog-Digital-Wandler (ADCs) 306A-306D tasten die abwärtsgewandelten Empfangssignale von den Empfängern RX-1 bis RX-4 ab und digitalisieren diese, wobei die digitalisierten Signale zum Filtern und Verarbeiten an einen Digitalsignalprozessor (DSP) 308 oder direkt an eine Schnittstelle mit hoher Bandbreite 310, um ein chipexternes Verarbeiten der digitalisierten Basisbandsignale zu ermöglichen, geliefert werden. Bei Verwendung erzeugt der DSP 308 Bilddaten, die über die Schnittstelle mit hoher Bandbreite 310 an eine ECU übertragen werden können.
Eine Steuerschnittstelle 312 ermöglicht es der ECU oder einem anderen Host-Prozessor, den Betrieb des Sender-Empfänger-Chips 300, einschließlich der Test- und Kalibrierungsperipherieschaltungen 314 und der Sendesignalerzeugungsschaltungsanordnung 304, zu konfigurieren.
4 fügt zusätzliche Details hinzu, um die Phased-Array-Technik zu veranschaulichen. Ein Sendesignal (für Kraftfahrzeugradar ist der in Betracht gezogene Frequenzbereich das W-Band (75 GHz bis 110 GHz)) wird an vier programmierbare Phasenschieber 402A-402D geliefert, um jeweilige Phasenverschiebungen für die Signale für jede Antenne bereitzustellen. Die Verstärker mit einstellbarer Verstärkung 303A-303D verstärken die phasenverschobenen Signale, um die Sendeantennen anzusteuern, aber kurz bevor die Ansteuersignale von den Chips ausgegeben werden, spaltet ein Satz von Kopplern 404A-404D einen kleinen Bruchteil der Signalleistung als Überwachungssignale ab, die es einer Kalibrierungsschaltung 406 ermöglichen, die Leistung der Sendeschaltungsanordnung zu überwachen.
In mindestens einigen Ausführungsformen überwacht die Kalibrierungsschaltung die relative Amplitude und Phase der Ansteuersignale. 5 ist ein Blockdiagramm eines veranschaulichenden Phasendetektors 502, der bei den hier in Betracht gezogenen mm-Wellen-Frequenzen eingesetzt werden kann. Ein Quadraturkoppler 504 wandelt ein Lokaloszillatorsignal (LO-Signal) in zwei Quadratursignale (Signale, die die gleiche Frequenz aufweisen, aber um 90 Grad phasenverschoben sind) um. Quadraturkoppler sind in der Literatur bekannt, und geeignete Beispiele schließen Abzweigleitungskoppler, Lange-Koppler und Überlagerungskoppler ein. Ein Teiler 506 teilt eine HF-Eingabe in zwei gleiche Signale. Multiplizierer mischen jedes der Quadratursignale mit einem der HF-Signale, um Basisbandspannungen zu erzeugen. Die unter Verwendung des voreilenden Quadratursignals erhaltene Spannung kann als gleichphasige Spannung VI bezeichnet werden, während die unter Verwendung des nacheilenden Quadratursignals erhaltene Spannung als Quadraturphasenspannung VQ bezeichnet werden kann. Ein oder mehrere ADCs 508 können die Spannungen digitalisieren, und ein Prozessor, eine ASIC oder eine Nachschlagetabelle 510 kann die digitalisierten Spannungen durch Durchführen des Äquivalents einer Arkustangensoperation bei dem Verhältnis von VQ zu VI in eine detektierte Phase θ_det umwandeln. Die detektierte Phase stellt die Phasendifferenz zwischen den LO- und HF-Eingängen dar.
6 zeigt eine veranschaulichende Kalibrierungsschaltung unter Verwendung eines naiven Ansatzes, wobei die N Ansteuersignale jeweils an einen jeweiligen HF-Eingang eines Phasendetektors 502A-502N geliefert werden und die LO-Eingänge der Phasendetektoren eine gepufferte Kopie des LO-Signals von einem jeweiligen Verstärker 602A-602N empfangen. (Selbst wenn sie einen erheblichen Flächenbedarf auferlegen, sind die Verstärker in der Regel erforderlich, um ein ungehöriges Laden der LO-Signal-Quelle zu vermeiden.) Die Phasenwinkelmesswerte von den Phasendetektoren (θ_i) geben die Phasenwinkeldifferenz zwischen den LO- und HF-Eingängen an (mit einem Versatz, der Beiträge von den Kopplern, den Verstärkern und Weiterleitungsverzögerungsdifferenzen darstellt): $θ_{ij} = θ_{RFi} - θ_{ref} = θ_{PSij} - θ_{LO} - θ_{Versatz}$
wobei θ_PSi,j die j. Phasenverschiebungseinstellung des i. Phasenschiebers 402A-402D ist, wobei i von 1 bis zu der Anzahl von Phasenschiebern reicht und j von 1 bis zu der Anzahl programmierbarer Phasenverschiebungen für jeden Phasenschieber reicht. Der Betrieb jedes Phasenschiebers kann durch Vergleichen der gemessenen Phasenverschiebungen θ_i,j für benachbarte Werte von j und Bestätigen, dass die Differenz der erwarteten Schrittänderung Δθ_s entspricht, verifiziert werden: $θ_{ij} - θ_{i,j+1} = Δ θ_{s}$
Die Verifikation kann für jeden Wert von j mit Wrap-around wiederholt werden, wenn j seinen Maximalwert (die Anzahl verfügbarer Phaseneinstellungen) erreicht.
Es ist zu beachten, dass es auch wünschenswert ist, richtige Interkanalphasendifferenzen sicherzustellen. Probleme können aus der Verteilung des LO-Signals an alle Phasendetektoren entstehen, und die den Verstärkern zugehörige Phasenverschiebung kann temperaturabhängig sein. Somit ist es zusammen mit der vorhergehenden Schrittänderungsverifikation wünschenswert, eine Interkanalphasendifferenzverifikation für einen oder mehrere Werte von j und k durchzuführen: $θ_{ij} - θ_{i+1,k} = (j-k) Δ θ_{s} .$
Die Interkanalverifikation kann für jeden Wert von i wiederholt werden.
7 zeigt eine veranschaulichende Verifikationsschaltung, die das globale LO-Signal unter Verwendung von benachbarten Kanälen als das LO-Referenzsignal ersetzt. Die Koppler mit 3 Anschlüssen 404A, 404D an den Rändern des Arrays werden beibehalten, aber die Koppler im Inneren des Arrays (404B, 404C) werden durch Koppler mit 4 Anschlüssen 704B, 704C ersetzt, um Überwachungssignale an zwei (statt einen) Phasendetektoren zu liefern. In mindestens einigen Ausführungsformen bestehen die Koppler mit 4 Anschlüssen aus einem Richtkoppler, der mit einem Leistungsteiler kaskadiert ist, während die Koppler mit 3 Anschlüssen als Standardrichtkoppler implementiert sein können.
Wie zuvor spalten die Koppler einen kleinen Bruchteil der HF-Signalleistung ab, wobei der wesentliche Großteil des Signals an die jeweilige Sendeantenne ausgegeben wird. Die Verstärker 602A-602C verstärken die Überwachungssignale, um die LO-Eingänge der Phasendetektoren 502A-502C anzusteuern. Jeder Phasendetektor 502A-502C vergleicht die Phasen von Überwachungssignalen von benachbarten Kanälen. (Da die Kanäle paarweise verglichen werden, wird in dieser Anordnung ein Phasendetektor weniger als in der Anordnung von 6 eingesetzt.)
Die detektierten paarweisen Phasendifferenzen θ₁₂, θ₂₃, θ₃₄ sind $θ_{(i+1),jk} = θ_{RF (i+1),k} - θ_{RFij} - θ_{Versatz} = θ_{PS (i+1),k} - θ_{PSij} - θ_{Versatz}$
Wie zuvor kann der Betrieb jedes Phasenschiebers durch Vergleichen der gemessenen Phasenverschiebungen für benachbarte Werte von j oder k und Bestätigen, dass die Differenz der erwarteten Schrittänderung Δθ_s entspricht, verifiziert werden: $θ_{i (i+1) jk} - θ_{i (i+1), (j+1) k} = Δ θ_{s}$
$θ_{i (i+1) jk} - θ_{i (i+1),j (k+1)} = Δ θ_{s}$
Die Verifikation kann für jeden Wert von j oder jeden Wert von k mit Wrap-around wiederholt werden, wenn j oder k seinen Maximalwert (die Anzahl verfügbarer Phaseneinstellungen) erreicht.
Für eine Interkanalphasendifferenzverifikation kann die Differenz zwischen paarweisen Differenzen verwendet werden (wobei die Phaseneinstellungen der Kanäle i, i+1 und i+2 als j, k und 1 dargestellt werden): $θ_{i (i+1),jk} - θ_{(i+1) (i+2),kl} = θ_{PSi,j} + θ_{PS (i+2),1} - 2 θ_{PS (i+1),k} = (j+1-2k) Δ θ_{s} .$
Die Interkanalverifikation kann für jeden Wert von i mit Wrap-around wiederholt werden, wenn i+1 und i+2 den Maximalwert (die Anzahl von Kanälen) überschreiten.
Die Intrakanalphasenverschiebungsverifikation erfordert eine Abtastung der Phasenverschiebungseinstellungen und wird als solche vorzugsweise zwischen regelmäßigen Übertragungen und so selten durchgeführt, wie es mit dem Beibehalten von Vertrauen in den ordnungsgemäßen Betrieb des Radarsystems konsistent ist. Es wird erwartet, dass möglicherweise keine ausreichende Gelegenheit besteht, um eine vollständige Abtastung in der verfügbaren Zeit zwischen normalen Übertragungen durchzuführen, und wenn dies der Fall ist, kann die Abtastung stufenweise und verteilt über mehrere Messzyklen durchgeführt werden.
Umgekehrt erfordert die Interkanalphasenverschiebungsverifikation keine Veränderung der Phasenschiebereinstellungen und kann entsprechend während der normalen Verwendung durchgeführt werden. Wenn gewünscht, kann die Interkanalverifikation gleichzeitig mit jeder Übertragung durchgeführt werden.
Da Messdifferenzen verwendet werden, um den Betrieb der Phasenschieber zu verifizieren, wird der Phasenversatz aufgehoben, und es ist nicht mehr erforderlich, den Versatz zu bestimmen oder dessen Abhängigkeit von Alter und Prozess oder Temperaturvariation zu kalibrieren.
Wenngleich die Anordnung von 7 eine Verifikation ermöglicht, ohne ausdrücklich eine Kalibrierung zu erfordern, kann dennoch ein Bedarf dafür bestehen, die Phasenschieber und Verstärker jedes Kanals zu kalibrieren, um eine genaue Strahllenkung sicherzustellen. Zu diesem Zweck zeigt 8 eine veranschaulichende Kalibrierungsanordnung. Anstatt Phasendetektoren wie in 7 gezeigt zu speisen, liefern die Koppler 404A, 704B, 704C und 404D von 8 Signale an Leistungskombinatoren 802A-802C. Der Kombinator 802A kombiniert Überwachungssignale von den Kopplern 404A und 704B, um ein kombiniertes Signal bereitzustellen. Der Kombinator 802B kombiniert Signale von den Kopplern 702B und 702C. Der Kombinator 802C kombiniert Signale von den Kopplern 704C und 404D.
Wie unten genauer erörtert, können die Kombinatoren 802A-802C gleichphasige Leistungskombinatoren oder gegenphasige Leistungskombinatoren sein. Die Ausgabe eines kombinierten Signals von jedem Kombinator ist mit einem Leistungsdetektor 804A-804C gekoppelt. In mindestens einigen in Betracht gezogenen Ausführungsformen richten die Leistungsdetektoren die kombinierten Signale unter Verwendung einer Diode oder eines anderen nichtlinearen Elements gleich. Die Leistungsdetektoren erzeugen eine Spannung, die die Leistung der Kombinatorausgaben angibt. Die Ausgabe des Detektors 804A ist als V12 gekennzeichnet, die Ausgabe des Detektors 804B ist als V23 gekennzeichnet und die Ausgabe des Detektors 804C ist als V34 gekennzeichnet. Diese Spannungen werden durch ADCs 806A-806C digitalisiert und an eine Mikrocontrollereinheitslogik (MCU-Logik) 808 bereitgestellt. In anderen in Betracht gezogenen Ausführungsformen wird ein einzelner ADC mit einem Multiplexer verwendet, um die Detektorspannungen zu digitalisieren.
Wie in 9A-9B gezeigt, hängen die Detektorausgabespannungen V von der relativen Phase zwischen den kombinierten Signalen ab. Die Graphen gehen jeweils davon aus, dass jedes der zwei Signale mit dem Kombinator bei einem Leistungspegel von -10 dBm und ohne Einfügungsverlust gekoppelt ist. Die in 9A gezeigte Ausgabe eines gegenphasigen Kombinators weist ein Minimum bei null Grad auf und steigt monoton in jeder Richtung auf Maxima bei ±180° an. Die in 9B gezeigte Ausgabe eines gleichphasigen Kombinators weist ein Maximum bei null Grad auf und fällt monoton auf Minima bei ±180° ab. Beispiele eines gegenphasigen Kombinators können einen Ringkoppler, ein magisches T-Glied, einen Abzweigleitungskoppler oder einen Lange-Koppler einschließen. Diese können auch als gleichphasige Koppler konfiguriert sein, oder der gleichphasige Koppler kann als Wilkinson-Leistungswandler implementiert sein.
Der Leistungsdetektorbereich muss nicht sehr groß sein, um den Phaseneinstellungsversatz korrekt zu detektieren, wobei θ=0. Es ist nur erforderlich, dass er monoton ist.
Die Leistungskombinatoreingangsspannungen seien als x₁ = A₁cos(ωt) und x₂ = A₂cos((ωt + θ) bezeichnet. Unter Nichtberücksichtigung des Einfügungsverlusts ist die Ausgangsspannung des gegenphasigen Leistungskombinators $y = (x_{1} - x_{2}) / \sqrt{2}$
und ist die Ausgangsspannung des gleichphasigen Leistungskombinators $y = (x_{1} + x_{2}) / \sqrt{2} .$
Wenn der eine oder der andere der Phasenschieber, die den Eingaben in den Kombinator zugeordnet sind, variiert wird, variiert die Größe von y in Abhängigkeit von ihrem relativen Phasenwinkel θ. Wenn A₁ = A₂, dann ist y null oder erreicht ein Maximum, wenn der relative Phasenwinkel null ist.
Wir erörtern nun Verfahren zum Verwenden der Verifikationsschaltung von 7 unter Bezugnahme auf 10A. In Block 902 variiert eine Steuerung (wie DSP 308) systematisch die Einstellungen der Phasenschieber 402A-402D, um die Phase jedes Kanals bezogen auf die seiner benachbarten Kanalspeisung in einen der Phasendetektoren 502A-502C in 7 abzutasten. Dies ermöglicht es der Steuerung, zu verifizieren, dass jede Einstellung der Phaseneinstellung eine Änderung der Phasendetektorausgabe entsprechend einer erwarteten Schrittänderung erzeugt. Wenn diese Verifikation nicht erfolgreich ist, stoppt der Prozess mit einer Warnung an die ECU, dass ein Fehler in dem Radarsystem vorhanden ist. (Die Steuerung kann einen Fehlercode an die ECU senden, die Messung auf einen Wert setzen, der eine fehlerhafte Messung angibt, und/oder ein Feld in einem Statusregister festlegen, das periodisch durch die ECU gelesen wird.)
Andernfalls beginnt in Block 904 der normale Betrieb mit dem ersten einer Reihe von periodischen Sendeimpulsen. Die Steuerung legt die Phasenschieber auf die gewünschte Einstellung zum Lenken des Strahls von dem phasengesteuerten Sendearray in eine gewünschte Richtung fest und erzeugt den Impuls. Wenn der Impuls erzeugt wird, misst die Verifikationsschaltung die relativen Interkanalphasen in Block 906, wie zuvor erörtert, und berechnet Differenzen zwischen benachbarten der relativen Interkanalphasen, wobei verifiziert wird, dass die Differenz mit einer erwarteten Differenz übereinstimmt. Wenn diese Verifikation nicht erfolgreich ist, kann der Prozess mit einer Warnung an die ECU stoppen, dass ein Fehler in dem Radarsystem vorhanden ist.
Andernfalls erfasst die Steuerung in Block 908 Radarechomessdaten, und die Blöcke 904-908 werden wiederholt, um eine Reihe von Messdaten zu erfassen. Die Echomessdaten werden gemäß bestehender Praxis verarbeitet, um Richtungen und Abstände von Hindernissen bezogen auf das Fahrzeug zu bestimmen.
Wir erörtern nun Verfahren zum Verwenden der Kalibrierungsschaltung von 8 unter Bezugnahme auf 10B. In Block 910 misst eine Steuerung (wie DSP 308) den Ausgangspegel jedes Kanals. Bei einem in Betracht gezogenen Ansatz aktiviert die Steuerung nur einen Leistungsverstärker 303A-303D für jeden benachbarten Kanal. Zum Beispiel können die Leistungsverstärker 303A und 303C aktiviert werden, während die Leistungsverstärker 303B und 303D deaktiviert werden. Anschließend können die Leistungsverstärker 303A und 303C deaktiviert werden, während die Verstärker 303B und 303D aktiviert werden. Die deaktivierten Leistungsverstärker stellen kein Ausgangssignal bereit.
Während nur ein Leistungsverstärker für jedes Paar von benachbarten Kanälen aktiviert ist, misst die Steuerung die Ausgabe der Leistungsdetektoren 804A-804C. Der Prozess wird mit dem anderen Leistungsverstärker, der für jedes Paar von benachbarten Kanälen aktiviert ist, wiederholt, wodurch der Steuerung eine Leistungspegelmessung für jeden Kanal bereitgestellt wird. Die Steuerung kann dann die Leistungspegel in Block 912 durch Einstellen der Leistungsverstärkereinstellung, z. B. Erhöhen der Verstärkereinstellung für den Kanal mit dem niedrigsten Leistungspegel und/oder Verringern der Verstärkereinstellung für den Kanal mit dem höchsten Leistungspegel, ausgleichen. Die Steuerung führt einen Verifikationsschritt durch, wobei die Vorgänge der Blöcke 910 und 912 wiederholt werden, bis die Leistungspegel gleich sind.
Sobald die Leistungspegel ausgeglichen wurden, führt die Steuerung eine Phasenkalibrierung durch, beginnend in Block 914. Die Steuerung tastet die Einstellung eines Phasenschiebers ab, während sie die Einstellung des Phasenschiebers auf dem benachbarten Kanal konstant hält. Wenn der detektierte Leistungspegel ein Minimum (für gegenphasige Kombinatoren) oder ein Maximum (für gleichphasige Kombinatoren) erreicht, stellt die Steuerung die relativen Phasenschiebereinstellungen (d. h. den Phaseneinstellungsversatz) fest und bestimmt in Block 916 diesen Phaseneinstellungsversatz als einen relativen Phasenwinkel 0=0, so dass gewünschte Phasendifferenzen durch geeignetes Erhöhen oder Verringern der relativen Phasenschiebereinstellungen unter Bezugnahme auf den Phaseneinstellungsversatz erreicht werden können. Der Prozess wird für jedes Paar von benachbarten Kanälen durchgeführt und kann für alle Phasenverschiebungseinstellungen jedes Phasenschiebers verifiziert werden.
Danach, während normaler Vorgänge, die durch die Blöcke 918-922 dargestellt sind, legt die Steuerung die Phasenschieber auf die gewünschte Einstellung zum Lenken des Strahls von dem phasengesteuerten Sendearray in eine gewünschte Richtung fest und erzeugt den Impuls. Wenn der Impuls erzeugt wird, misst die Verifikationsschaltung die Leistungsdetektorausgangspegel in Block 920 und verifiziert, dass sie mit dem Leistungsausgangspegel, der für die gewünschte Phasenverschiebung erwartet wird, übereinstimmen (siehe 9A-9B). Wenn diese Verifikation nicht erfolgreich ist, kann der Prozess mit einer Warnung an die ECU stoppen, dass ein Fehler in dem Radarsystem vorhanden ist.
Andernfalls erfasst die Steuerung in Block 922 Radarechomessdaten, und die Blöcke 918-922 werden wiederholt, um eine Reihe von Messdaten zu erfassen. Die Echomessdaten werden gemäß bestehender Praxis verarbeitet, um Richtungen und Abstände von Hindernissen bezogen auf das Fahrzeug zu bestimmen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Implementierung von 8 einen viel kleineren Siliziumbereich erfordern kann, weil die HF-Signale unter Verwendung eines Leistungsdetektors anstelle eines abwärtswandelnden I/Q-Mischers in Basisband/DC umgewandelt werden. Beide Ausführungsformen vermeiden das Führen von langen Leitungen zu einem Kalibrierungsempfänger, die, wenn sie mit den HF-Leitungen, die die TX-Signale tragen, verschachtelt sind, die Genauigkeit verringern können. Die gekoppelten HF-Signale werden sofort in DC umgewandelt und sind somit viel einfacher weiterzuleiten.
Zahlreiche weitere Modifikationen, Äquivalente und Alternativen werden für den Fachmann ersichtlich, nachdem die vorstehende Offenbarung völlig verstanden ist. Zum Beispiel kann jede der offenbarten Schaltungsanordnungen zur Verifikation oder zur Kalibrierung oder zu beidem verwendet werden. Die folgenden Ansprüche sollen so interpretiert werden, dass sie gegebenenfalls alle derartigen Modifikationen, Äquivalente und Alternativen einbeziehen.

Claims

Verfahren, das umfasst: Programmieren eines Satzes von Phasenschiebern, um ein Hochfrequenzsignal in einen Satz von Kanalsignalen umzuwandeln; Abspalten eines Überwachungssignals von jedem Kanalsignal, während der Satz von Kanalsignalen mit einem Satz von Antennenspeisungen gekoppelt wird; und während des paarweisen Aufnehmens der zu benachbarten Kanälen gehörigen Überwachungssignale Messen einer relativen Phase zwischen jedem Paar von Überwachungssignalen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Erfassen von sequentiellen relativen Phasenmessungen über einen Bereich von Phaseneinstellungen von Phasenschiebern, die geraden Kanälen zugeordnet sind, während eine Phaseneinstellung von Phasenschiebern, die ungeraden Kanälen zugeordnet sind, beibehalten wird; Erfassen von sequentiellen relativen Phasenmessungen über einen Bereich von Phaseneinstellungen von Phasenschiebern, die ungeraden Kanälen zugeordnet sind, während eine Phaseneinstellung von Phasenschiebern, die geraden Kanälen zugeordnet sind, beibehalten wird; und Bereitstellen einer Fehlerbenachrichtigung, wenn eine Differenz zwischen sequentiellen relativen Phasenmessungen nicht mit einer vorbestimmten Schrittgröße übereinstimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, ferner umfassend ein Bestimmen eines Phaseneinstellungsversatzes für jedes Paar basierend auf den relativen Phasenmessungen, wobei das Bestimmen ein Messen der relativen Phase über einen Bereich von Phaseneinstelldifferenzen für benachbarte Kanäle einschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das Messen einschließt: Kombinieren jedes Paars von Überwachungssignalen, um ein kombiniertes Signal zu bilden; und Messen einer Leistung jedes kombinierten Signals.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, ferner umfassend: Deaktivieren von Verstärkern mit einstellbarer Verstärkung, die ungeraden Kanälen zugeordnet sind, während die Leistung jedes kombinierten Signals gemessen wird; Deaktivieren von Verstärkern mit einstellbarer Verstärkung, die geraden Kanälen zugeordnet sind, während die Leistung jedes kombinierten Signals gemessen wird; und basierend auf den Leistungsmessungen, Einstellen von Verstärkungen der Verstärker mit einstellbarer Verstärkung, um die Leistung jedes Kanalsignals in dem Satz von Kanalsignalen auszugleichen.
Radarsystem, das umfasst: einen Signalgenerator, der ein Hochfrequenzsignal liefert; einen Satz programmierbarer Phasenschieber, die das Hochfrequenzsignal in einen Satz von Kanalsignalen umwandeln; einen Satz von Kopplern, der den Satz von Kanalsignalen mit einem Satz von Antennenspeisungen koppelt, wobei die Koppler in dem Satz Überwachungssignale bereitstellen; einen oder mehrere Leistungskombinatoren, die jeweils ein Paar von Überwachungssignalen kombinieren, um ein kombiniertes Signal zu erzeugen; einen oder mehrere Leistungsdetektoren, die jeweils ein jeweiliges kombiniertes Signal in ein Leistungspegelsignal umwandeln; und eine Steuerung, die mindestens eines der Leistungspegelsignale verwendet, um eine relative Phase zwischen mindestens einem Paar von Kanalsignalen in dem Satz von Kanalsignalen zu bestimmen.
System nach Anspruch 6, wobei die Steuerung das mindestens eine Leistungspegelsignal verwendet, um einen Phaseneinstellungsversatz für jedes Paar zu bestimmen, optional durch: Messen des mindestens einen Leistungspegelsignals über einen Bereich von Phaseneinstelldifferenzen für benachbarte Kanäle; und Identifizieren eines Leistungspegelmaximums oder -minimums, das dem Phaseneinstellungsversatz entspricht.
System nach einem der Ansprüche 6 bis 7, ferner umfassend: einen Satz Verstärker mit einstellbarer Verstärkung, die den Satz von Kanalsignalen, die an den Satz von Kopplern bereitgestellt werden, verstärken, wobei die Steuerung arbeitet zum: Deaktivieren der Verstärker mit einstellbarer Verstärkung, die ungeraden Kanälen zugeordnet sind, während die Leistung jedes kombinierten Signals gemessen wird; Deaktivieren der Verstärker mit einstellbarer Verstärkung, die geraden Kanälen zugeordnet sind, während die Leistung jedes kombinierten Signals gemessen wird; und Einstellen von Verstärkungen der Verstärker mit einstellbarer Verstärkung, um die Leistung jedes Kanalsignals in dem Satz von Kanalsignalen auszugleichen.
Radarsystem, das umfasst: einen Signalgenerator, der ein Hochfrequenzsignal liefert; einen Satz programmierbarer Phasenschieber, die das Hochfrequenzsignal in einen Satz von Kanalsignalen umwandeln; einen Satz von Kopplern, der den Satz von Kanalsignalen mit einem Satz von Antennenspeisungen koppelt, wobei die Koppler in dem Satz Überwachungssignale bereitstellen; und einen oder mehrere Phasendetektoren, die jeweils eine relative Phase zwischen Überwachungssignalen für ein Paar benachbarter Kanäle bestimmen.
Radarsystem nach Anspruch 9, ferner umfassend eine Steuerung, die: sequentielle relative Phasenmessungen über einen Bereich von Phaseneinstellungen von Phasenschiebern, die geraden Kanälen zugeordnet sind, erfasst, während eine Phaseneinstellung von Phasenschiebern, die ungeraden Kanälen zugeordnet sind, beibehalten wird; sequentielle relative Phasenmessungen über einen Bereich von Phaseneinstellungen von Phasenschiebern, die ungeraden Kanälen zugeordnet sind, erfasst, während eine Phaseneinstellung von Phasenschiebern, die geraden Kanälen zugeordnet sind, beibehalten wird; und eine Fehlerbenachrichtigung bereitstellt, wenn eine Differenz zwischen sequentiellen relativen Phasenmessungen nicht mit einer vorbestimmten Schrittgröße übereinstimmt.
Radarsystem nach Anspruch 10, wobei der eine oder die mehreren Phasendetektoren ein Paar von Phasendetektoren umfassen, das eine erste relative Phase zwischen einem Mittenkanal und einem ersten benachbarten Kanal und eine zweite relative Phase zwischen dem Mittenkanal und einem zweiten benachbarten Kanal bestimmt, wobei die Steuerung arbeitet, um eine Differenz zwischen der ersten und der zweiten relativen Phase zu berechnen.