具有振荡抑制的有源反射器的制作方法

本公开整体涉及有源反射装置，并且更具体地，涉及可以防止振荡的自校准有源反射器。

背景技术：

当前和未来的车辆越来越多地装有车载雷达系统来实现或辅助关键车辆功能，包括自适应巡航控制(acc)、停车辅助、前方碰撞警示(fcw)、前方碰撞主动制动、盲点警示(bsw)、车道保持系统(lks)及其他。这些技术在正常驾驶和关键场景下提供直接的驾驶员辅助，并且一些甚至能够增强驾驶员控制或提供自主控制，以防止或减轻撞车或负面后果。

雷达是一种物体探测系统，它使用无线电波来确定物体的范围、角度或速度。雷达系统由产生电磁波的发射器、发射天线、接收天线和接收器组成。来自发射器的无线电波从物体上反射回来并返回接收器，提供关于目标位置和速度的信息。所有自然发生的反射都是无源的，因为在反射过程中没有能量被添加到反射波中。对于大多数反射，无源反射波的能量小于入射波的能量。微弱的反射会限制雷达的检测范围。检测目标的另一个问题是由多路径反射产生的杂波污染。当目标雷达截面积(rcs)小于其他周围物体的截面积时，这是主要关注的问题。为了减轻上述问题，已经提出了一种有源反射器来增强反射波能量。有源反射器是一种感测雷达信号、放大(并且有时调制)雷达信号并将其重新发射回雷达的设备。有源反射器在机动车辆领域有多种应用，诸如提高小型车辆(例如，摩托车、自行车)的最大雷达检测范围和可见度，作为有源标签操作以调制关于反射雷达波形的数据，以及用作用于测试的便携式、可配置的虚拟目标。

关于有源反射器的文献往往倾向于关注用于调制和重新发射雷达信号以传递信息的技术，而且似乎大多是理论性的。存在各种实际实施问题，这些问题在现有技术中的任何地方似乎都没有被认识或解决。特别地，本发明人已经发现，当有源反射器以足够的增益因子实现时，它们通常表现出一定程度的自干扰，这种自干扰通过反馈会导致自激振荡。此类振荡至少可以使有源反射器对接收信号无反应，但也可能对周围的雷达传感器造成严重干扰。

技术实现要素：

因此，本文公开了抑制自激振荡的有源反射器设备和方法。

根据本申请的一个方面，提供了一种有源反射器，其特征在于包括：放大器，其放大接收信号以生成发射信号，发射信号干扰接收信号；以及可调移相器，其相对于接收信号相位修改发射信号相位以抑制振荡。

在一个实施方案中，有源反射器的特征还在于包括：控制器，其测试可调移相器的一定范围的设置。

在一个实施方案中，有源反射器的特征在于，对于测试的设置中的每一个设置，控制器确定振荡指示器是否超过阈值，并且：如果振荡指示器在测试期间保持在阈值以下，则控制器选择该范围内的中心设置，或者如果振荡指示器超过阈值，则控制器选择提供高于指定最小值的相位裕量的设置。

在一个实施方案中，有源反射器的特征在于，该范围大于180°，并且其中，如果振荡指示器超过阈值，则控制器选择最大化相位裕量的设置。

在一个实施方案中，有源反射器的特征在于，振荡指示器是接收信号的功率电平。

在一个实施方案中，有源反射器的特征还在于包括调制器，该调制器在由放大器放大之前或之后修改该接收信号。

根据本申请的另一方面，提供了一种方法，其特征在于包括：放大接收信号以产生发射信号，该发射信号造成对接收信号的干扰；以及通过相对于接收信号相位修改发射信号相位来抑制振荡。

在一个实施方案中，该方法的特征在于，所述抑制包括测试执行所述修改的可调移相器的一定范围的设置。

在一个实施方案中，该方法的特征在于，所述抑制还包括：对于测试的设置中的每一个设置，确定振荡指示器是否超过阈值；如果振荡指示器在测试期间保持在阈值以下，则选择该范围内的中心设置；并且如果振荡指示器超过阈值，则选择提供高于指定最小值的相位裕量的设置。

在一个实施方案中，该方法的特征在于，该范围大于180°，并且其中所述抑制还包括：如果振荡指示器超过阈值，则选择最大化相位裕量的设置。

根据本申请的另一方面，提供了一种有源反射器，其特征在于包括：用于从接收信号生成发射信号的装置，该发射信号干扰接收信号；用于相对于接收信号相位移位发射信号相位以抑制振荡的装置；以及用于调制接收信号的装置。

在一个实施方案中，有源反射器的特征还在于包括：用于测试可调移相器的一定范围的设置并确定振荡指示器是否超过阈值的装置。

附图说明

在附图中：

图1a是具有天线对的例示性有源反射器的示意图。

图1b是具有准循环器的例示性有源反射器的示意图。

图1c是具有反射放大器的例示性有源反射器的示意图。

图2是包括自干扰的例示性信号流图。

图3是抑制自振荡的第一例示性有源反射器的框图。

图4是抑制自振荡的第二例示性的框图。

图5是抑制自振荡的第三例示性有源反射器的框图。

图6是作为γ和gref的函数的反射器的雷达截面积(rcs)的例示图。

应当理解，附图和对应的详细描述并不限制本公开，而是相反，为理解落在所附权利要求范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式提供基础。

具体实施方式

所公开的设备和方法的细节仅作为示例给出，并且仅用于例示性地讨论本公开的优选实施方案，并且为了提供被认为是对本公开的各种实施方案的原理和概念方面最有用和最容易理解的描述而给出。在这点上，没有试图比基本理解本公开所必需的更详细地示出本公开的结构细节，结合附图进行的描述使本公开的几种形式可以如何在实践中实施对于本领域技术人员来说是显而易见的。

图1a是具有一对天线的例示性有源反射器设计的示意图。图示的有源反射器具有接收器天线11和发射器天线21。接收的信号rx被放大器31放大，以提供发射的信号tx。虽然试图将发射信号和接收信号保持隔离，但实际上，一些发射的能量从发射器天线“泄漏”到接收器天线，从而产生不希望的反馈回路。箭头51表示可以归因于接收的信号rx和发射的信号tx之间的交叉干扰的反馈。不管接收到的雷达波形是否被反射器调制，重新发射的信号通常包含放大和相移版本的rx信号的基本谐波。来自重新发射的信号的泄漏可能会通过天线、封装或管芯，并可能导致自激振荡。先前已经提出了各种方法来衰减泄漏回来的重新发射的信号。这些方法中的一些使用定向天线，而其他方法提出使用多个天线。

图1b是具有准循环器41(或者将双向信号路径耦合到两个单向信号路径的某种其他形式的定向耦合器)的另一例示性有源反射器设计的示意图，其使得单个天线13能够同时用于接收和发射两者。天线13耦合到准循环器的第一端口1。准循环器将接收信号从端口1耦合到第二端口2。从端口2，接收信号被放大器31放大并耦合到准循环器41的第三端口3。准循环器将发射信号耦合到用于天线的端口1。因为准循环器41具有从第三端口3到第二端口2的高度隔离，所以其提供接收信号和发射信号之间的隔离，以便减少接收信号rx和发射信号tx之间的交叉干扰。但是由于准循环器泄漏和天线自干扰两者，rx-tx干扰可能仍然存在。箭头52表示天线的自干扰，并且箭头53表示准循环器泄漏。

图1c是采用反射放大器42的又一个例示性有源反射器设计的示意图。这种设计还允许将单个天线13用于rx和tx两者。反射放大器依靠注入锁定振荡器或impatt二极管将接收信号转换成发射信号，但天线自干扰可能仍然是一个问题。箭头54表示天线的自干扰。

图2是表示具有自干扰的有源反射器的操作的信号流图。干扰可以由发射信号tx和接收信号rx之间的反馈路径来表示，其具有傅立叶域传递函数增益i(f)。当发射信号的傅立叶变换为t(f)，接收信号的傅立叶变换为r(f)，并且放大器的传递函数为h(f)时，有源反射器的输出可以表达为

t(f)＝r(f)h(f)/(1–h(f)i(f))

当分母消失时(即，当h(f)i(f)约等于1时)，系统变得不稳定并易于自激振荡。因为干扰反馈传递函数i(f)是不可预测的，并且经受来自环境的变化，所以一种可能的行动方案是将放大器的增益h(f)保持在低水平，以最小化振荡的风险。然而，这种方法限制了有源反射器的性能。

图3示出了可调谐以抑制振荡的有源反射器的实施方案。图示的有源反射器实施方案包括用于检测来自雷达源的输入信号的专用接收天线11，以及用于辐射输出信号的独立发射天线21。如本文所讨论的，从发射天线21发射的输出信号的一部分在接收天线11的输入端作为反馈被接收。因此，当有源反射器发射时，输入信号附加包括干扰的一些量度。如下文详细讨论的，改进的反射器实施方案能够实现动态调谐，该动态调谐考虑了自干扰，从而抑制了自激振荡。

由接收天线11接收的输入信号可以被低噪声放大器(lna)32滤波和放大。低噪声放大器32优选地位于非常靠近接收天线21的位置，以减少馈线中的损耗。通过使用低噪声放大器，来自接收链的后续级的噪声的影响减弱。功率耦合器63将放大的信号传递给功率检测器64和可调移相器62。

功率检测器64测量接收信号的功率电平，该功率检测器可以采取馈送低通滤波器的整流二极管的形式。控制器61检测功率电平，并且至少部分地基于该功率电平，向可调移相器62和可变增益放大器(vga)33提供选定的相移和选定的增益。可调移相器62在将放大的信号传递给vga33之前将选定的相移施加到放大的信号，vga33继而将选定的增益施加到相移的信号以产生发射信号。功率放大器34然后用发射信号驱动发射天线21。放大器32、33和34形成放大链。由于放大链可以给输入信号增加能量，雷达反射强度可以通过附加信息来增强和潜在地扩大，这对于雷达检测应用是有用的。

在至少一些实施方案中，移相器可以在整个360°内扫描施加的相移，例如，通过导出正交信号、施加可调加权系数以及将加权正交信号重新组合为相移信号。控制器61可以采取在嵌入式存储器中执行固件的可编程数字信号处理器的形式，或者可以实现为硬连线专用集成电路(asic)逻辑。

在至少一些实施方案中，可调移相器62可以在相移设置的整个360度范围内进行扫描。控制器61可以周期性地扫描整个相移范围，测量接收信号功率电平，以确定功率电平如何作为相移的函数而变化。因为功率电平测量值可能有噪声，所以可以在每个相移处采集多个测量值，并对其进行平均，以提高测量值的信噪比。当有源反射器开始振荡时，接收信号功率电平将快速增加，直到达到工作极限。因此，高于给定阈值的功率电平测量值可以指示自激振荡，特别是如果它持续发生一个相移而不是其他相移时。

在一些实施方案中，控制器61将作为相移函数的功率电平测量值存储在存储器中，在将测量值与阈值进行比较之前，对每个相移的多个测量值进行平均。在其他实施方案中，控制器61将采集的每个测量值与阈值进行比较，以检测是否超过阈值。每当比较超过阈值时，控制器可以递增该相移的计数。在为每个相移采集多个测量值之后，多次超过阈值的相移可以被识别为有问题的相移。

控制器61周期性地或系统地改变相移设置，以监测接收信号功率电平对相移的依赖性。控制器61进一步确定哪个相移(如果有的话)倾向于与超过阈值的接收信号功率电平相关联，并且将那些相移识别为有源反射器易受自激振荡影响的相移。如果任何相移被识别为有问题的，则控制器在正常操作期间(即，当不测量相移-功率电平相关性时)将可调移相器的设置保持在不同的值，优选地保持在相对于有问题的值最大化相移裕量的值，或者提供至少最小指定相位裕量的值。在一些实施方案中，控制器还可以被配置成保持高信号强度，这意味着高反射增益。

在一些实施方案中，由于入射信号，由功率检测器64采样的rf功率电平在反射器不会振荡的相位设置下可以是高的。为了防止过量功率电平的这种错误检测，控制器61控制可调移相器62以扫描几次，对功率电平反复采样几次，并对每个相移设置的采样功率电平进行平均。在一些实施方案中，处理器除去每个相移的采样功率电平的最大值，并对剩余的采样功率电平进行平均，平均结果充当每个相移的采样功率电平。

在一些实施方案中，有源反射器可以用作有源标签，以调制雷达波形上的数据并将其重新发射。有源反射器可以利用频率转换来移位接收信号的频率。在这两种情况下，接收频率不同于发射频率，这将减少但不一定消除发射信号和接收信号之间的干扰。

图4示出了充当有源标签的有源反射器的例示性实施方案。输入信号被接收天线11接收，被低噪声放大器(lna)32滤波和放大，然后接收信号被调制器35频移或调制。然后，频移或调制的接收信号被可调移相器62移相，被可变增益放大器(vga)33放大，并被功率放大器(pa)34驱动到发射天线。类似于图3，为了防止有源标签的振荡，有源标签还包括实时环路相位校准，该实时环路相位校准包括功率检测器64和控制器61，该控制器至少部分地响应于来自检测器的功率电平测量来控制可调移相器62。逻辑电路61被配置成控制可调移相器62的扫描。本领域技术人员将会理解，功率检测器64的位置对有源反射器的功能并不重要，功率检测器64可以采用馈送低通滤波器的整流二极管的形式。在该实施方案中，功率检测器64对可变增益放大器33的输出功率电平进行采样。

逻辑电路61控制移相器62在一个周期内对放大链相位进行一次360度的扫描，读取每个相位步长的rf功率电平，构建相位功率矢量并找到反射器振荡的相位，为了防止振荡，逻辑电路61设置相移以最大化相位裕量。

图5示出了有源反射器的又一个实施方案。有源反射器具有准循环器41(或者将两个单向信号路径耦合到双向信号路径的其他形式的定向耦合器)，以允许使用单个天线13用于rx和tx两者。天线13电连接到准循环器41的第一端口1。准循环器41的第二端口2电磁耦合到具有串联的低噪声放大器(lna)32、可变移相器62、可变增益放大器33和功率放大器34的电路。功率放大器34的输出端电磁耦合到准循环器41的第三端口3。有源反射器还包括实时环路相位校准电路，该电路包括逻辑电路61、可变移相器62和功率检测器63。逻辑电路61被配置成控制可变移相器62的扫描。功率分配器63将接收信号导向至功率检测器64和可调移相器62。控制器可以使用上述实时环路相位校准的方法来防止有源反射器的振荡。

因为实时环路相位校准电路动态校准有源反射器的相位以防止振荡，所以在任何过程、温度和电源电压变化下都可以确保性能稳定性，并且对反射信号幅度的影响最小。同样，可以在事先没有封装和天线模型的情况下设计有源反射器ic。

通过比较由有源反射器反射的功率和由目标反射的功率，计算有源反射器的等效雷达截面积(rcs)，目标的rcs为σ：

其中，grad是雷达源的天线增益，λ是波长，r是目标距离，γ是有功功率反射系数(即，由放大链施加的增益因子)，并且gref是反射器天线增益。在简化表达式后，得到作为γ和gref的函数的等效rcs

图6示出了分别在10db–15db和25db–35db内扫描的作为γ和gref的函数的rcs。反射器的增益越高，等效雷达截面积(rcs)越大。因为实时环路相位校准电路校准有源反射器的相位以防止振荡，所以反射增益γ不受稳定性问题的限制，并且可以根据需要进行设置，以提高最大雷达范围和小型车辆的可见度。中型客车的等效rcs可以通过可行的有源反射和合理的反射器天线增益gref值(如果仰角轴上的波束宽度保持合理窄，则可以达到高天线增益)轻松实现。

所公开的有源反射器的其他潜在优点还包括与所有雷达波形兼容，因为雷达信号不需要被调制；并且存在降低成本和路由损耗的机会，例如，如果使用准循环器(或其他定向耦合器)，则通过使用一个天线用于rx和tx两者。此类有源反射器预计在汽车雷达生态系统中发挥不可或缺的作用。有源反射器的应用包括：提高小型车辆(摩托车甚至自行车)在远距离或大散射点(诸如卡车)附近的可见度，关于目标信号的信息的雷达测试或调制。

因此，已经公开了各种实施方案。一个例示性设备实施方案包括放大器和可调移相器。放大器放大接收信号以生成发射信号，发射信号造成对接收信号的干扰。可调移相器相对于接收信号的相位修改发射信号的相位，以抑制振荡。

一个例示性方法实施方案包括：放大接收信号以产生发射信号，发射信号造成对接收信号的干扰；以及通过相对于接收信号相位修改发射信号相位来抑制振荡。

一个例示性有源反射器实施方案包括：用于从接收信号生成发射信号的装置，发射信号干扰接收信号；以及用于相对于接收信号相位移位发射信号相位以抑制振荡的装置。

上述实施方案中的每一个实施方案可以单独地采用或结合在一起采用，并且可以任选地以任何组合包括一个或多个以下特征：1.控制器，其测试可调移相器的一系列的相位设置。2.对于所测试的设置中的每一个设置，控制器确定振荡指示器是否超过阈值。3.如果振荡指示器在测试期间保持在阈值以下，则控制器选择该范围内的中心设置。4.如果振荡指示器超过阈值，则控制器选择提供高于指定最小值的相位裕量的设置。5.该范围大于180°。6.如果振荡指示器超过阈值，则控制器选择最大化相位裕量的设置。7.振荡指示器是接收信号的功率电平。8.调制器，其在由放大器放大之前或之后修改接收信号。9.振荡的所述抑制包括测试执行所述修改的可调移相器的一系列的设置。10.所述抑制还包括：对于测试的设置中的每一个设置，确定振荡指示器是否超过阈值。11.所述抑制还包括：如果振荡指示器在测试期间保持在阈值以下，则选择该范围内的中心设置。12.所述抑制还包括：如果振荡指示器超过阈值，则选择提供高于指定值的相位裕量的设置。13.所述抑制还包括：如果振荡指示器超过阈值，则选择最大化相位裕量的设置。14.用于测试可调移相器的一系列的设置并确定振荡指示器是否超过阈值的装置。15.用于调制接收信号的装置。

虽然前面讨论的重点是雷达系统的有源反射器，但这些原理适用于其他形式的回波检测系统，包括声纳、超声波、激光雷达和射频识别技术。一旦完全理解了上述公开的内容，对于本领域技术人员来说这些和许多其他修改形式、等价形式和替代形式就将变得显而易见。旨在使以下权利要求书被解释为在适用情况下包含所有此类修改形式、等价形式和替代形式。