TWI639849B - 可切換式發送／接收（ｔ／ｒ）模組 - Google Patents

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Abstract

一種發送/接收模組，具有開關、負載及控制器，該控制器用以在繼該控制器產生發送致能信號到該發送/接收模組之後與在該控制器產生接收致能信號到該發送/接收模組之前的時間間隔期間，將饋入開關的雷達能量耦合到該負載。

Description

可切換式發送/接收(T/R)模組
此揭露大致有關於可切換式發送/接收(T/R)模組且更特別有關於具有氮化鎵(GaN)高功率放大器(HPA)場效電晶體(FET)的T/R模組。
如此技術所周知者，可切換式發送/接收(T/R)模組使用於許多雷達系統應用中，用以於發送模式期間引導由雷達發送器所產生的雷達信號並饋入天線，以及於後繼的接收模式期間引導由天線所接收的雷達回波(radar return)，以選擇性回應於饋入在T/R模組中使用的開關的電子邏輯控制信號。更精確而言，參照圖1，顯示具有用以形成電磁幅射之波束的波束形成裝置的雷達系統。波束的形狀與提供給穿過該裝置之孔徑所接收或發送的信號的相位及振幅分布有關。舉例來說，在相位陣列天線中，如圖1所示，孔徑包括多個天線元件。每一天線元件透過多個可切換式發送/接收(T/R)模組中的一對應者 耦合到饋入網路。每一可切換式發送/接收(T/R)模組包括可變相移器及可變增益/衰減元件。饋入結構可以是共饋(coporate feed)或者如同空饋相位陣列系統中可以透過照明。在任何情況下，該等模組受控於來自波束操控(beam steering)電腦的信號用以提供準直(collimated)及導向(directed)的幅射波束。舉例來說，對於側向(即，視軸方向)波束而言，從各天線元件發出的信號的相位移相對於某任意基準是零。倘若從元件到元件的相位移是同相，則主幅射瓣(radiation lobe)的方向是從側向位移。
每一可切換式發送/接收(T/R)模組包括：三T/R開關組，其受控於由CLC控制介面(或控制邏輯)所產生的邏輯控制信號，以回應由系統控制器所產生的發送致能及接收致能信號；數位控制衰減器及數位控制相移器，其受控於該波束操控電腦饋入的信號，高功率放大器(HPA)；循環器及低雜訊放大器(LNA)，如所示般地配置。於發送期間，來自雷達系統的RF能量經由饋入網路、可切換式發送/接收(T/R)模組、高功率放大器(HPA)、以及循環器被饋入該多個天線元件。在接收時，由該等天線元件所接收的能量經由循環器、低雜訊放大器(LNA)、可切換式發送/接收(T/R)模組、以及饋入網路而被饋入該雷達系統。
一個這樣的T/R模組，即常見的腿電路(Common Leg Circuit；CLC)，係顯示於圖1A及1B，發送信號及返回信號二者經由共同增益控制衰減器及相移器 在一天線與循裝器之間傳到該雷達系統；圖1A以示意的方式顯示三T/R開關的位置，該三T/R開關各包括一對場效電晶體(FET；FET1和FET2)，如以發送模式顯示；圖1B以示意的方式顯示使用於在接收模式中之可切換式發送/接收(T/R)模組中的三T/R開關的位置。在每一該T/R開關中的FET1和FET2受控於由以下要說明的控制邏輯所產生的控制信號(邏輯信號)，以回應由系統控制器(圖1)所產生的發送致能及接收致能邏輯信號。
同樣如此技術所周知者，快速切換於發送與接收模式之間致能雷達系統的更高性能。在基於傳統砷化鎵(GaAs)高功率放大器(HPA)的雷達應用中，使用共源極FET作為HPA。在發送模式中，此HPA FET因為其汲極電壓衰退非常快，因此很快被停機。更精確而言，圖1C是真值表，顯示由控制邏輯回應於系統控制器所產生之發送致能及接收致能信號而產生的邏輯信號之間的關係，且圖1D顯示操作的發送/接收模式的重複序列的時序圖。首先要注意的是，控制邏輯區段包括一對NOR閘；NOR閘1和NOR閘2經配置以提供「正/反」電路。
因此，假設發送致能邏輯1信號施加到NOR閘1且接收致能邏輯0信號已饋入NOR閘2；因此，被饋入NOR閘極1的邏輯1產生邏輯0，其被饋入三FET 1的閘極，將三FET 1關斷(off)，而NOR閘極2產生邏輯1，其被饋入三FET 2的閘極，將三FET 2導通(on)，所以RF從波束形成網路傳到天線，如圖1A中的箭號所指。
發送致能邏輯1被移除，或從邏輯1變成邏輯0之後，為了等待後續的接收模式，邏輯0停留在接收致能上，使得NOR閘1仍然產生邏輯0，邏輯1仍然由NOR閘2產生，且三FET 1持續保持關斷(off)而三FET 2停留在導通(on)，所以維持發送模式。
當接收致能邏輯1隨後被接收時，可注意到發送致能邏輯1已被移除、或從邏輯1變成邏輯0，以便等待後續的接收模式，接收致能邏輯1將三FET 1導通(on)且將三FET 2關斷(off)，藉此，天線所接收的RF傳到波束形成網路，如圖1B中的箭號所示。要注意的是，即使在接收致能信號從邏輯1切換到邏輯0之後，系統停留在接收模式，因為在發送致能上的邏輯0被饋入作為輸入NOR閘2的邏輯1，NOR閘2產生三FET 2上的邏輯0。
同樣要注意的是，雷達需要發送元件在雷達系統能切換成接收模式之前自始到終被關斷。由於如此，傳統系統砷化鎵(GaAs)FET開關能夠保持最後狀態邏輯位準，其被傳送到針對發送及接收致能二者的低邏輯位準的RF路由開關。發送路徑於發送脈衝與接收返回之間的停留被致能，但HPA FET上的汲極電壓下降快速到足以使得無RF能量由GaAs功率放大器的發送鏈產生。
在以氮化鎵(GaN)MMIC為基礎的雷達中，此變得困難，因為當發送模式關閉(終止或切斷)時GaN HPA FET的阻抗造成汲極電壓的慢衰退。此慢衰退在接收模式能被導通之前造成延遲。然而，就用於更現代的發送 /接收模組中之以GaN為基礎的高功率放大器(HPA)而言，有時使用洩流(bleeder)電路來快速消耗電壓，但對CLC而言並不實際。
根據本揭露，提供一種發送/接收模組，其具有：開關；負載；以及控制器，該控制器用以在繼該控制器產生發送致能信號到該發送/接收模組之後與在該控制器產生致能信號到該發送/接收模組之前的時間間隔期間，將饋入開關的雷達能量耦合到該負載。
在一實施例中，提供一種發送/接收模組，其包含：第一開關；第二開關；第三開關；負載；以及控制器。該控制器產生發送致能信號及後續致能信號給該等開關操作該第一開關、該第二開關及該第三開關，用以：回應於饋入該第一開關、該第二開關及該第三開關的發送致能信號，經由該第一開關，接著到該第三開關，接著到該第二開關及接著到天線，耦合來自雷達系統的發送器/接收器區段的雷達能量，用以起始發送模式；回應於饋入該第一開關、該第二開關、以及該第三開關的接收致能信號，經由該第三開關，接著到該第二開關，接著到該第一開關及接著到該雷達系統的發送器/接收器區段，耦合由該天線所接收的雷達信號，用以起始接收模式；以及在繼該發送致能信號之後與在該接收致能信號之前的時間間隔期間將饋入該第一開關的雷達能量耦合到負載，禁止饋 入該第一開關的該能量到該第二開關。
在一實施例中，提供一種發送/接收模組，包含：可控衰減器、可控相移器，其串列耦合到該可控衰減器、多個開關、以及控制器，用以產生發送致能信號及後續接收致能信號給該多數開關，用以：回應於饋入該多個開關的該發送致能信號，經由該多個開關的第一開關，接著到該多個開關的第三開關，接著經由該串列耦合的可控衰減器及可控相移器，接著到該多個開關的第二開關以及接著到天線，耦合來自雷達系統的發送器/接收器區段的雷達能量，用以起始發送模式；回應於饋入該多個開關的該接收致能信號，經由該多個開關的該第三開關，接著經由該串列耦合的可控衰減器及可控相移器，接著到該多個開關的該第二開關，接著到該多個開關的該第一開關以及接著到該雷達系統的該發送器/接收器區段，耦合由該天線所接收的雷達信號；以及，在繼該發送致能信號之後與在該接收致能信號之前的時間間隔期間耦合饋入該多個開關的該第一開關的雷達能量到負載，禁止饋入該多個開關的該第一開關的該能量傳到該串列耦合的該可控衰減器及可控相移器。
在一實施例中，該多個開關的該第一開關當回應於該發送致能信號時具有預定輸入阻抗，且其中該負載具有與該預定輸入阻抗相同的阻抗。
藉由此種發送/接收模組，當該發送及接收致能皆在關斷或低狀態時(即在發送致能信號已終止與後續 接收致能信號初始前之間的時間)，該第一開關係一共用RF埠開關，其故意終止於匹配負載。此切斷用以產生RF能量之發送模式的路徑而GaN功率放大器的發送鏈上的汲極電壓衰減。此允許更快開啟接收模式且因此提升整體雷達系統的能力。換言之，發送與接收模式之間的停留時間可大幅縮減。
本揭露之一或多個實施例的細節敘述於以下所附圖式及詳細說明。本揭露的其他特徵以及優點將由詳細說明與圖式以及申請專利範圍而明顯。
10‧‧‧雷達系統
121-12n‧‧‧天線元件/RF天線
141-14n‧‧‧可切換式發送/接收(T/R)模組
16‧‧‧發送/接收區段
18‧‧‧饋入網路
20‧‧‧波束操控電腦
21‧‧‧開關刀片
22‧‧‧系統控制器
28a、28b、28c、28d‧‧‧GaAs放大器
30‧‧‧相移器
32‧‧‧衰減器
34‧‧‧循環器
36‧‧‧CLC控制介面
38‧‧‧低雜訊放大器(LNA)/低雜訊放大器(LNA)區段
40‧‧‧高功率放大器(HP)/高功率放大器(HPA)區段
42‧‧‧負載
50、52、61、63‧‧‧反向器
54、56、58、60‧‧‧NOR閘
62‧‧‧NAND閘
圖1是根據習知技術之具有可切換式發送/接收(T/R)模組的雷達系統的方塊圖；圖1A是根據習知技術之操作於發送模式之用於圖1之雷達系統之可切換式發送/接收(T/R)模組的示意圖；圖1B是根據習知技術之操作於接收模式之用於圖1之雷達系統之可切換式發送/接收(T/R)模組的示意圖；圖1C是使用於根據習知技術之圖1之雷達系統的可切換式發送/接收(T/R)模組中的真值表；圖1D是根據習知技術之圖1之雷達系統的可切換式發送/接收(T/R)模組的時序圖；圖2是根據本揭露之具有可切換式發送/接收 (T/R)模組之雷達系統的方塊圖；圖3是根據本揭露之使用於圖2之雷達系統的可切換式發送/接收(T/R)模組其中一者的方塊圖；圖3A是根據本揭露之回應於發送致能信號而操作於發送模式的圖2之可切換式發送/接收(T/R)模組的示意圖；圖3B是根據本揭露之使用於回應於接收致能信號而操作於接收模式的圖1之雷達系統的可切換式發送/接收(T/R)模組的示意圖；圖3C是根據本揭露之使用於沒有接收致能信號或接收模式而操作於終止模式的圖1之雷達系統的可切換式發送/接收(T/R)模組的示意圖；圖4是根據本揭露之使用於圖3之可切換式發送/接收(T/R)模組之操作的真值表；圖5是根據本揭露之使用於圖3之可切換式發送/接收(T/R)模組之操作的時序圖；各圖式中相同參考符號代表相同元件。
現參見圖3，其顯示雷達系統10。此處雷達系統10是相位陣列雷達系統，其具有一陣列的，即n個，天線元件121-12n，其中，n是大於1的整數。n個天線元件的每一者係耦合到多個，即n個，相同可切換式發送/接收(T/R)模組141-14n的對應一者，此處為詳細顯示作為其 例示性的模組121。n個可切換式發送/接收(T/R)模組141-14n係經由饋入網路18耦合到發送/接收區段16，如所示。提供波束操控電腦20以產生相位及衰減信號組到可切換式發送/接收(T/R)模組141-14n的每一者，且藉此於發送模式或後續接收模式二者期間產生準直及導向的幅射波束。分別回應於發送致能或接收致能信號選擇發送模式或接收模式，該發送致能或接收致能信號係針對n個可切換式發送/接收(T/R)模組141-14n由系統控制器22所產生。
可切換式發送/接收(T/R)模組141-14n的每一者包括：一組三T/R開關SW1、SW2及SW3(此為GaAs FET，且如所示用於例示性的可切換式發送/接收(T/R)模組141)；一放大器區段，具有第一對GaAs放大器28a、28b、一受控於由波束操控電腦20所產生之相位信號的數位控制的相移器30；一受控於由波束操控電腦20所產生之衰減信號的數位控制的衰減器32；第二對GaAs放大器28c、28d；一循環器34，其耦合到天線元件121；一CLC控制介面36(此例如為GaN或GaAs)，其回應於由系統控制器22所產生之發送致能及接收致能信號，用以依將連同圖3A及3B詳細說明的方式產生用於該三T/R開關SW1、SW2及SW3的邏輯信號；一低雜訊放大器(LNA)區段38以及一高功率放大器(HPA)區段40，配置如所示。HPA區段40是GaN技術且包括共(接地)源極電極(S)連接的GaN FET，其具有連接到+VDD的汲極電極(D)，閘極電極(G)係由共源極電極(S)連接的GaN FET的T/R開關 SW2饋入，如所示。應注意到，圖3中三T/R開關SW1、SW2及SW3的位置係顯示處於發送模式(即，開關刀片(blade)21(圖2)繪示處於向下位置)，使得來自饋入網路18的RF能量從SW1傳到SW3，經由第二對GaAs放大器28a、28b，經由衰減器32到相移器30經由SW2到HPA區段40到循環器34且最後到天線元件121。在接收模式中，圖3中三T/R開關SW1、SW2及SW3之「開關刀片21」的位置會是向上位置，使得被天線121接收的RF能量會經由循環器34傳到LNA區段38，到SW3，經由第一對GaAs放大器28a、28b到可變的衰減器32，到數位的相移器30，經由SW2到SW1到饋入網路18。此處，在發送模式與接收模式之間，當系統控制器22所產生的發送致能及接收致能邏輯信號皆為邏輯0時，CLC控制介面36產生邏輯信號給SW1，用以操作SW1以便將功率損耗負載42耦合到饋入網路18。因此，要注意到，開關SW1可被視為共RF開關，因為其於發送模式及接收模式期間連接到RF波束形成的饋入網路18(圖2)。亦要注意到，於發送模式中從波束形成的饋入網路18到開關SW1的輸入阻抗是一預定輸入阻抗，例如此處為50歐姆。在此處，負載42具有匹配於開關SW1的輸入阻抗的阻抗，且因此在這裡是50歐姆。換言之，開關SW1終止於功率損耗、阻抗匹配負載42。
更精確而言，將連同圖3A及3B詳述者，開關SW1、SW2及SW3的每一者包括FET開關，這裡是砷化鎵(GaAs)FET開關。因此，雖然當發送模式關閉(終止或 切斷)時GaN高功率放大器(HP)40造成汲極電壓的慢衰退；於此當發送模式及接收模式皆處於低狀態，即邏輯0狀態時，讓開關SW1包括RF埠故意終止於匹配負載42，其效果在於切斷發送模式用來產生RF能量的路徑，而在GaN高功率放大器(HPA)40上的FET的汲極電壓衰退。此允許接收模式開啟更快速且因而提升整體雷達系統的能力。換言之，發送與接收模式之間的停留時間能大幅縮減。
現參見圖3，例示性可切換式發送/接收(T/R)模組141以更詳細方式顯示。要注意到，開關SW1具有三個FET，即FET A、FET B及FET C。三個FET(FET A、FET B及FET C)的源極電極連接到饋入網路18(圖3)；三FET的閘極電極由控制信號饋入(待說明)；SW1的FET A的汲極電極連接到SW3的FET B的源極電極；SW1的FET B的汲極電極連接到SW2的FET A的源極電極，如所示；以及SW1的FET C的汲極電極經由匹配負載42連接到地，如所示。
開關SW2具有二個FET，即FET A及FET B。SW2的FET A的汲極電極連接到SW2的FET B的汲極電極以及連接到放大器28d的輸出，如所示。SW2的FET B的源極電極連接到HPA 40的輸入，如所示。
開關SW3具有二個FET，即FET A及FET B。SW3的FET A的汲極電極連接到SW3的FET B的汲極電極以及連接到放大器28a的輸入，如所示。SW3的FET A的源極電極連接到LAN 38的輸出，如所示
CLC控制介面36包括：反向器50、52、61及 63；NOR閘54、56、58及60；以及NAND閘62，均配置如所示。NAND閘62的輸出提供控制信號給開關SW1的FET C的閘極電極；NOR閘極58的輸出提供控制信號給開關SW1的FET A，以及開關SW2和SW3的FET B；以及，NOR閘60的輸出提供控制信號給開關SW1的FET B以及給開關SW2和SW3的FET A。CLC控制介面36的真值表顯示於圖4且時序圖顯示於圖5。
回應於系統控制器22(圖1)提供的發送致能信號，且參見圖3A，接收致能信號邏輯0且具有發送致能信號邏輯1：反向器52、NOR閘58、反向器61及反向器63產生邏輯1信號，而NOR閘56、NOR閘54、NAND閘62、反向器NOR閘60及反向器50產生邏輯0信號。因此，NOR閘極58產生的邏輯1信號導通開關SW1的FET A、開關SW2的FET B及開關SW3的FET B，並將RF功率經由開關SW1的FET A及開關SW2和SW3的FET B傳到天線121。要注意的是，開關SW1的FET B及開關SW2和SW3的FET A被NOR閘60產生的邏輯0信號關斷。亦要注意的是，開關SW1的FET C被NAND閘62產生的邏輯0關斷。
在發送致能邏輯1信號返回邏輯0且接收致能信號仍處於邏輯0狀態，如圖5的時序圖所示以及圖4的真值表所示，如將會說明者，開關SW1的FET A和FET B將被關斷而FET C將會被導通，使得開關SW1的埠P會經由匹配負載42耦合到地。更精確而言，且參見圖3C，回應於發送致能上的邏輯0信號以及接收致能上的邏輯0，NOR閘極 58及60產生邏輯0信號，將開關SW1、SW2及SW3的FET A及FET B關斷，而NAND閘62產生邏輯1信號，將開關SW1的FET C導通，使得開關SW1的埠P將會經由匹配負載42耦合到地。
回應於系統控制器22(圖1)提供的接收致能信號，且參見圖3B：反向器52、NOR閘58、NOR閘54、NOR閘56及NAND閘62產生邏輯0信號，而反向器61、反向器63、反向器50及NOR閘60產生邏輯1信號。因此，NOR閘60產生的邏輯1信號導通開關SW1的FET B及開關SW2和SW3的FET A，並將RF功率從天線元件121經由開關SW1的FET B、以及SW2和SW3的FET A傳到饋入網路18(圖2)。要注意的是，開關SW1的FET A及開關SW2和SW3的FET B被NOR閘58產生的邏輯0信號關斷。亦要注意的是，開關SW1的FET C被NAND閘62產生的邏輯0關斷。
本揭露的數個實施例已予說明。然而，應可瞭解到可從事種種修改而不背離本揭露的精神與範圍。因此，其他實施例在以下申請專利範圍的範圍內。

Claims (5)

  1. 一種發送/接收模組，包含：開關；負載；以及控制器，用以產生發送致能信號到該發送/接收模組以及產生接收致能信號到該發送/接收模組，其中該控制器在繼該發送致能信號之後與在該接收致能信號之前的時間間隔期間將饋入該開關的雷達能量耦合到該負載，該開關當回應於該發送致能信號時具有預定輸入阻抗，且其中，該負載具有與該預定輸入阻抗相同的阻抗。
  2. 一種發送/接收模組，包含：第一開關；第二開關；第三開關；負載；以及控制器，用以操作該第一開關、該第二開關及該第三開關，用以：回應於饋入該第一開關、該第二開關以及該第三開關的發送致能信號，經由該第一開關，接著到該第三開關，接著到該第二開關且接著到天線耦合來自雷達系統的發送/接收區段的雷達能量，以起始發送模式；回應於饋入該第一開關、該第二開關及該第三開關的接收致能信號，經由該第三開關，接著到該第二開關，接著到該第一開關且接著到該雷達系統的發送/接收區段，耦合該天線接收的雷達信號，以起始接收模式；以及在繼該發送致能信號之後與在該接收致能信號之前的時間間隔期間將饋入該第一開關的雷達能量耦合到負載，禁止饋入該第一開關的該能量到該第二開關。
  3. 一種發送/接收模組，包含：可控衰減器；可控相移器，其係串列耦合到該可控衰減器；多個開關；以及控制器，用以產生發送致能信號及後續接收致能信號給該多個開關，用以：回應於饋入該多個開關的該發送致能信號，經由該多個開關的第一開關，接著到該多個開關的第三開關，接著經由該串列耦合的可控衰減器及可控相移器，接著到該多個開關的第二開關以及接著到天線，耦合來自雷達系統的發送器/接收器區段的雷達能量，用以起始發送模式；回應於饋入該多個開關的該接收致能信號，經由該多個開關的該第二開關，接著經由該串列耦合的可控衰減器及可控相移器，接著到該多個開關的該第三開關，接著到該多個開關的該第一開關以及接著到該雷達系統的該發送器/接收器區段，耦合由該天線所接收的雷達信號，用以啟始接收模式；以及在繼該發送致能信號之後與在該接收致能信號之前的時間間隔期間耦合饋入該多個開關的該第一開關的雷達能量到負載，禁止饋入該多個開關的該第一開關的該能量傳到該串列耦合的可控衰減器及可控相移器。
  4. 如申請專利範圍第3項之發送/接收模組，其中，該多個開關的該第一開關當回應於該發送致能信號時具有預定輸入阻抗，且其中，該負載具有與該預定輸入阻抗相同的阻抗。
  5. 如申請專利範圍第4項之發送/接收模組，包括GaN放大器，其係耦合到該多個開關的該第二開關的輸出。
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