太赫兹相控阵列系统的模拟基带电路的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种用于确定目标的位置的方法。在相控阵列系统（200）中，（通常）在连续循环中从相控阵列（204）（其具有若干收发器（206-1至206-N））发射太赫兹辐射的若干发射脉冲。这些发射脉冲一般被配置为被目标反射以便由扫描范围（其包括具有若干采样周期的数字化窗口）内的相控阵列接收。然后，对每个收发器（206-1至206-N）的输出信号进行组合以产生每个循环的组合信号。对发射脉冲的数字化窗口内的每个采样周期中的组合信号求平均以产生数字化窗口内的每个采样周期的平均信号。然后将这些平均信号数字化。
【专利说明】太赫兹相控阵列系统的模拟基带电路
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及相控阵列，并且特别涉及“片上”太赫兹相控阵列系统。
【背景技术】 [0002]相控阵列系统已经变得常见，其具有几种用途。相控阵列系统的最常见用途是雷达系统(例如脉冲雷达和多普勒频移雷达)。事实上，相控阵列雷达已经取代了大部分的前几代机械扫描雷达系统，因为机械组件被电子器件所代替使得磨损造成的失效的可能性更低，并且因为扫描速率要高得多。
[0003]图1是描述常规相控阵列系统100的基本功能的框图。系统100通常包含信号发生器102、移相器104-1至104-K、包含辐射器106-1至106-K的相控阵列110以及方向控制器108。在操作中，信号发生器102提供将要发射的信号(例如脉冲雷达的脉冲)。基于期望的方向，方向控制器108将控制信号提供给移相器104-1至104-K，移相器104-1至104-K改变提供给相控阵列内的每个辐射器106-1至106-K的信号的相位。由于通过辐射器106-1至106-K发射的信号通常彼此异相，因此辐射信号的相长干涉和相消干涉在期望的方向上形成波束。
[0004]然而，这些常规系统受限于常规射频(RF)频率范围。例如，常规雷达的频率范围在3MHz (针对HF频段雷达)和IlOGHz (针对W频段雷达)之间。使用这些相对低频率范围的原因在于在太赫兹频率范围(其通常在0.1THz和IOTHz之间)中相干辐射的致密半导体源在历史上是不可用的。通常，随着频率的增加，微波范围内的电子器件和振荡器用尽了功率增益，并且典型的宽带红外黑体源在该范围内开始失去可用功率。然而，由于太赫兹辐射的独特属性，其用途得到高度期望。即，太赫兹辐射具有较低频率辐射(例如微波)和较高频率辐射(例如可见光)的属性，前者是因为太赫兹辐射可以以电学方式生成，后者是因为能够利用光学对其进行控制。
[0005]目前，存在两种通用类型的太赫兹源:非相干源和相干源。非相干源通常是宽带非相干热源，其包括超短飞秒脉冲激光激发光导天线、非线性电光晶体或非线性传输线，其受困于非常差的转换效率(1W激光脉冲产生在nW-mW范围内的宽带能量)。相干源通常是窄带连续波(CW)相干源，其包括二极管倍增微波振荡器、利用二氧化碳激光器泵浦甲醇或氰酸的气体激光器、不同混频的光学向下变频以及半导体量子激光发射。然而，这些相干源通常消耗大量功率、不是致密的、需要特殊材料和/或是昂贵的。
[0006]因此，存在对太赫兹辐射的致密源的需求，即将其集成到集成电路中。
[0007]常规电路的一些不例包括:Williams,“Filling the THz Gap”，do1:10.1088/0034-4885/69/2/R01 ；Heydari 等，“Low-Power mm-ffave Components upto 104GHz in90nm CMOS^, ISSCC2007, pp.200-201, February2007, San Francisco, CA ；LaRocca 等，“Millimeter-Wave CMOS Digital Controlled Artificial DielectricDifferential Mode Transmission Lines for Reconfigurable ICs”， IEEE MTT-SIMS,2008 ；Scheir 等，“A52GHz Phased-Array Receiver Front-End in90nm DigitalCMOS”JSSC Dec.2008, pp.2651-2659 ；Straayer 等，“A Mult1-Path Gated RingOscillator TDC With First-Order Noise Shaping，，, IEEE J.0f Solid State Circuits,Vol.44，N0.4，Apri12009，pp.1089-1098 ;Huang,“Injection-Locked Oscillatorswith High-Order-Division Operation for Microwave/Mi 11imeter-wave SignalGeneration”，Dissertation, 0ctober9, 2007 ；Cohen 等，“A bidirectional TX/RXfour element phased-array at60HGz with RF-1F conversion block in90nm CMOSprocesses，，, 2009IEEE Radio Freq.1ntegrated Circuits Symposium, pp.207-210 ；Koh等，“A Millimeter-Wave (40-65GHz)16-Element Phased-Array Transmitter in0.18-μ mSiGe BiCMOS Technology”，IEEE J.0f Solid State Circuits, Vol.44, N0.5, May2009,pp.1498-1509 ;York等Injection-and Phase-locking Techniques for Beam Control，，，IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.46, N0.11, Nov.1998,pp.1920-1929 ；Buckwalter 等，“An Integrated Subharmonic Coupled-OscillatorScheme for a6O-GHz Phased Array Transmitter，，，IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques, Vol.54，N0.12，Dec.2006，pp.4271-4280 ；以及 PCT 公开N0.TO2009028718。
【发明内容】
[0008]因此，本发明的示例性实施例提供一种方法。该方法包括:从具有多个收发器的相控阵列中生成太赫兹辐射的多个发射脉冲，其中每个发射脉冲被配置为被目标反射以便由相控阵列在扫描范围内接收，并且其中该扫描范围包括具有多个采样周期的数字化窗口 ；对每个收发器的输出信号进行组合以生成每个发射脉冲的组合信号；针对多个发射脉冲，对数字化窗口内的每个采样周期中的组合信号求平均以产生数字化窗口内的每个采样周期的平均信号；以及将数字化窗口内的每个采样周期的平均信号数字化。
[0009]根据本发明的另一示例性实施例，数字化窗口还包含多个采样时刻，并且其中求平均的步骤还包括:在每个采样时刻启用多个开关中的至少一个；以及对与所启用的开关相关联的电容器进行充电。
[0010]根据本发明的另一示例性实施例，数字化窗口还包含来自多个数字化窗口的第一数字化窗口，并且其中所述方法还包括:针对第一数字化窗口执行生成、组合、求平均和数字化的步骤；基于目标是否存在来确定是否继续扫描；以及如果目标不存在，则重复执行的步骤。
[0011 ] 根据本发明的另一示例性实施例，数字化窗口还包含来自多个数字化窗口的第一数字化窗口，并且其中所述方法还包括针对多个数字化窗口中的每个数字化窗口执行生成、组合、求平均和数字化的步骤。
[0012]根据本发明的另一示例性实施例，提供一种装置。该装置包含:本地振荡器，其生成本地振荡器信号和脉冲信号；多个收发器，其中每个收发器从本地振荡器接收本地振荡器信号和脉冲信号，并且其中每个收发器为多个发射循环中的每个发射循环提供输出信号；以及接收器电路系统，其根据收发器的每个输出信号生成组合信号，并且其包含模拟基带电路，其中模拟基带电路对数字化窗口内的多个采样周期中的组合信号求平均，从而生成多个平均信号并将多个平均信号转化为数字信号。[0013]根据本发明的另一示例性实施例，数字化窗口还包括多个采样时刻，并且其中模拟基带电路还包含:用于在每个采样时刻启用多个开关中的至少一个的装置；以及用于对与所启用的开关相关联的电容器进行充电的装置。
[0014]根据本发明的另一示例性实施例，数字化窗口还包括来自多个数字化窗口的第一数字化窗口，并且其中所述方法还包括:用于针对第一数字化窗口执行生成、组合、求平均和数字化的步骤的装置；用于基于目标是否存在来确定是否继续扫描的装置；以及用于在目标不存在的情况下重复执行的步骤的装置。
[0015]根据本发明的另一示例性实施例，一种装置包含:本地振荡器，其生成本地振荡器信号和脉冲信号；分配网络，其耦合到本地振荡器；多个收发器，其中每个收发器均耦合到分配网络，以便接收本地振荡器信号和脉冲信号；以及接收器电路系统，其具有:求和电路，其耦合到每个收发器；以及模拟基带电路，其耦合到求和电路，其中模拟基带电路对数字化窗口内的多个采样周期中的组合信号求平均，从而生成多个平均信号并将多个平均信号转化为数字信号。
[0016]根据本发明的另一示例性实施例，模拟基带电路还包括:时钟电路；耦合到求和电路的低噪声放大器(LNA);耦合到LNA和时钟电路的平均器；耦合到LNA和时钟电路的模数转换器(ADC);以及耦合到ADC的输出电路。
[0017]根据本发明的另一示例性实施例，基带电路还包括耦合在平均器和LNA之间的放大器。
[0018]根据本发明的另一示例性实施例，平均器还包括多个开关电容器组，每个开关电容器组均耦合到LNA并包括多个支路:耦合到LNA并由时钟电路控制的第一开关；耦合到第一开关的电容器；以及耦合到第一开关和电容器并由时钟电路控制的第二开关。
[0019]根据本发明的另一示例性实施例，时钟电路还包括:具有多个抽头的延迟锁相环(DLL)，其中每个抽头被耦合以便控制至少一个组中的至少一个支路中的第一开关；以及耦合到ADC和每个组的每个支路中的每个第二开关的时钟发生器。
[0020]根据本发明的另一示例性实施例，模拟基带电路还包括同相信道和正交信道。
[0021]根据本发明的另一示例性实施例，同相信道和正交信道中的每个信道还包括:时钟电路；耦合到求和电路的LNA ;耦合到LNA和时钟电路的平均器；耦合到LNA和时钟电路的ADC ；以及耦合到ADC的输出电路。
[0022]根据本发明的另一示例性实施例，同相信道和正交信道中的每个信道还包括耦合在平均器和LNA之间的放大器。
[0023]根据本发明的另一示例性实施例，每个平均器还包括多个开关电容器组，每个开关电容器组均耦合到LNA并包括多个支路:耦合到LNA并由时钟电路控制的第一开关；耦合到第一开关的电容器；以及耦合到第一开关和电容器并由时钟电路控制的第二开关。
[0024]根据本发明的另一示例性实施例，时钟电路还包括:具有多个抽头的延迟锁相环(DLL)，其中每个抽头被耦合以便控制至少一个组中的至少一个支路中的第一开关；以及耦合到ADC和每个组的每个支路中的每个第二开关的时钟发生器。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]参照附图对示例性实施例进行描述，其中:[0026]图1是常规相控阵列系统的示例的图示；
[0027]图2是根据本发明的示例性实施例的相控阵列系统的示例的图示；
[0028]图3是图2的模拟基带电路的示例的图示；
[0029]图4是图3的平均器的示例的图示；
[0030]图5是图4的开关电容器组的示例的图示；以及
[0031]图6和图7是说明图2的系统的操作的图示。
【具体实施方式】
[0032]图2示出根据示例性实施例的相控阵列系统200。相控阵列系统200通常包含本地振荡器(L0)202、相控阵列204、分配网络208、延迟锁相环(DLL)脉冲发生器214、接收器电路系统216以及控制器218。相控阵列204通常包括布置成阵列的若干收发器214-1至214-N，每个收发器均包含辐射器(例如贴片天线、焊线八木天线、封装偶极子或环形天线)。分配网络208通常包含缓冲器或放大器。此外，接收器电路系统216通常包含求和电路系统210和模拟基带电路216。在题为“Terahertz Phase Array System”的专利申请公开US2012/0062286A1中对收发器206-1至206-N中的每个收发器、本地振荡器202、分配网络208以及求和电路210进行了详细描述。
[0033]在操作中，相控阵列系统200 (其通常被合并到集成电路或IC中)能够形成在太赫兹频率范围(其通常在0.1THz和IOTHz之间)中操作的短程雷达系统。为实现该系统，本地振荡器202生成大约为数十到数百吉赫兹(例如40GHz、50GHz、67GHz和100GHz)的本地振荡器信号，并生成接收时钟信号RXCLK。然后，分配网络208将本地振荡器信号提供给每个收发器206-1至206-N，使得每个收发器206-1至206-N收到的信号是基本同相的。控制器218将控制信号提供给阵列204，该控制信号使收发器206-1至206-N相对于彼此进行相位调整，从而引导太赫兹频率辐射的波束。然后，收发器206-1至206-N能够接收从目标返回的反射辐射，该反射辐射被提供给求和电路系统210。接下来，模拟基带电路216将求和电路系统210的输出转化为数字信号，该模拟基带电路216从DLL脉冲发生器214接收其时序。
[0034]通常，该相控阵列系统200具有几种不同类型的操作模式:脉冲操作模式、连续操作模式以及步进频率操作模式。对脉冲操作模式而言，太赫兹辐射的脉冲被引导朝向目标。连续操作模式使用连续生成的波束。最后，步进频率允许改变太赫兹波束的频率，这可以通过采用一组本地振荡器(即202)来完成。特别地，对脉冲操作模式而言，系统200的范围由下列公式决定:
[0035]
【权利要求】
1.一种方法，其包括: 从具有多个收发器的相控阵列中生成太赫兹辐射的多个发射脉冲，其中每个发射脉冲被配置为被目标反射以便由所述相控阵列在扫描范围内接收，并且其中所述扫描范围包括具有多个采样周期的数字化窗口； 对每个所述收发器的输出信号进行组合以生成每个发射脉冲的组合信号； 针对所述多个发射脉冲，对数字化窗口内的每个采样周期中的所述组合信号求平均以产生所述数字化窗口内的每个采样周期的平均信号；以及 将所述数字化窗口内的每个采样周期的所述平均信号数字化。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述数字化窗口还包含多个采样时刻,并且其中求平均的步骤还包括: 在每个采样时刻启用多个开关中的至少一个；以及 对与所启用的开关相关联的电容器进行充电。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述数字化窗口还包含来自多个数字化窗口的第一数字化窗口，并且其中所述方法还包括: 针对所述第一数字化窗口执行生成、组合、求平均和数字化的步骤； 基于所述目标是否存在来确定是否继续扫描；以及 如果所述目标不存在，则重复执行的步骤。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述数字化窗口还包含来自多个数字化窗口的第一数字化窗口，并且其中所`述方法还包括针对所述多个数字化窗口中的每个数字化窗口执行生成、组合、求平均和数字化的步骤。
5.一种装置，其包含: 本地振荡器，其生成本地振荡器信号和脉冲信号； 多个收发器，其中每个收发器从所述本地振荡器接收所述本地振荡器信号和所述脉冲信号，并且其中每个收发器为多个发射循环中的每个发射循环提供输出信号；以及 接收器电路系统，其根据所述收发器的每个输出信号生成组合信号，并且其包含模拟基带电路，其中所述模拟基带电路对数字化窗口内的多个采样周期中的所述组合信号求平均，从而生成多个平均信号并将所述多个平均信号转化为数字信号。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述数字化窗口还包括多个采样时刻，并且其中所述模拟基带电路还包含: 用于在每个采样时刻启用多个开关中的至少一个的装置；以及 用于对与所启用的开关相关联的电容器进行充电的装置。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述数字化窗口还包括来自多个数字化窗口的第一数字化窗口，并且其中所述方法还包括: 用于针对所述第一数字化窗口执行生成、组合、求平均和数字化的步骤的装置； 用于基于所述目标是否存在来确定是否继续扫描的装置；以及 用于在所述目标不存在的情况下重复执行的步骤的装置。
8.一种装置，其包含: 本地振荡器，其生成本地振荡器信号和脉冲信号； 分配网络，其耦合到所述本地振荡器；多个收发器，其中每个收发器均耦合到所述分配网络，以便接收所述本地振荡器信号和所述脉冲信号；以及 接收器电路系统，其具有: 求和电路，其耦合到每个收发器；以及 模拟基带电路，其耦合到所述求和电路，其中所述模拟基带电路对数字化窗口内的多个采样周期中的所述组合信号求平均，从而生成多个平均信号并将所述多个平均信号转化为数字信号。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述模拟基带电路还包括: 时钟电路； 耦合到所述求和电路的低噪声放大器即LNA ； 耦合到所述LNA和所述时钟电路的平均器； 耦合到所述LNA和所述时钟电路的模数转换器即ADC ；以及 耦合到所述ADC的输出电路。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述基带电路还包括耦合在所述平均器和所述LNA之间的放大器。
11.根据权利要求9 所述的装置，其中所述平均器还包括多个开关电容器组，每个开关电容器组均耦合到所述LNA并包括多个支路: 耦合到所述LNA并由所述时钟电路控制的第一开关； 耦合到所述第一开关的电容器；以及 耦合到所述第一开关和所述电容器并由所述时钟电路控制的第二开关。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述时钟电路还包括: 具有多个抽头的延迟锁相环即DLL，其中每个抽头被耦合以便控制至少一个所述组中的至少一个所述支路中的所述第一开关；以及 耦合到所述ADC和每个所述组的每个所述支路中的每个第二开关的时钟发生器。
13.根据权利要求8所述的装置，其中所述模拟基带电路还包括同相信道和正交信道。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述同相信道和所述正交信道中的每个信道还包括: 时钟电路； 耦合到所述求和电路的LNA ； 耦合到所述LNA和所述时钟电路的平均器； 耦合到所述LNA和所述时钟电路的ADC ；以及 耦合到所述ADC的输出电路。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述同相信道和所述正交信道中的每个信道还包括耦合在所述平均器和所述LNA之间的放大器。
16.根据权利要求14所述的装置，其中每个平均器还包括多个开关电容器组，每个开关电容器组均耦合到所述LNA并包括多个支路: 耦合到所述LNA并由所述时钟电路控制的第一开关； 耦合到所述第一开关的电容器；以及 耦合到所述第一开关和所述电容器并由所述时钟电路控制的第二开关。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述时钟电路还包括: 具有多个抽头的延迟锁相环即DLL，其中每个抽头被耦合以便控制至少一个所述组中的至少一个所述支路中的所述第一开关；以及 耦合到所述ADC和每个所述组`的每个所述支路中的每个第二开关的时钟发生器。
【文档编号】G01S13/53GK103608694SQ201280028744
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2012年4月12日 优先权日:2011年4月12日
【发明者】S·M·若马斯万迈, V·B·瑞塔拉, B·P·金斯伯格, B·S·哈龙, E·赛奥克 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司