用于毫米波系统中的阻抗检测的电路及方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于毫米波系统中的阻抗检测的电路及方法。一种用于确定微波系统中的第一级与第二级之间的复阻抗的方法(500)，其包含检测(502)由所述第一级发射的入射信号Vi及检测(504)从所述第二级反射的反射信号Vr。测量(506、508)所述入射信号Vi及所述反射信号Vr的量值。将所述检测到的入射信号相移第一角度以产生第一入射信号，且将所述检测到的反射信号相移所述第一角度以产生第一反射信号(510、512)。将所述检测到的入射信号及所述第一入射信号与所述检测到的反射信号及所述第一反射信号混合(514)。基于所述入射信号Vi与所述反射信号Vr的所述混合及所述量值确定(516)反射系数的角度。
【专利说明】
用于毫米波系统中的阻抗检测的电路及方法
技术领域
[0001]本申请案涉及用于阻抗检测的技术，且更特定来说，涉及一种用于毫米波系统中的阻抗检测的电路及方法。
【背景技术】
[0002]波束成形雷达具有将其发射及接收器波束聚焦于特定方向上的能力。侧对侧方向通常被称为方位且上下方向通常被称为高度。波束成形可用于在方位及高度两者之上聚焦雷达的波束。一些波束成形雷达具有主动电子扫描阵列(AESA)，其为电子可操控波束。AESA允许极快地操控雷达波束，此情形被称为“波束成形”。
[0003]AESA具有许多小型天线或以天线阵列布置的个别天线元件。每一天线元件具有发射模块及接收模块。因此，每一天线元件可个别地改变接收信号及发射信号的相位及量值。这些变化，尤其是相位的变化提供待在方位及高度两者上操控的波束。理想地，所有天线元件操控波束的其个别部分到相同方向上。仅当接收信号跨越所有天线元件同相地到达时，将接收到最大信号，从而意谓天线元件正于同一方向上操控波束。对于发射信号需要相同相位准则以产生最大发射信号。所述操控提供“瞄准”天线在所要方向上的主瓣的能力，使得沿主瓣瞄准所有个别发射及接收信号。过程是互逆的，从而意谓对于接收信号及发射信号两者将存在相同天线波瓣图。
[0004]每一天线元件必定具有延迟或相位调整，使得在相位调整之后，所有天线元件在相同方位及高度上引导波束。如果方位角及高度角两者都为零，那么所有天线元件同时发射及接收信号，且相位调整是不必要的。在非零角处，每一天线元件具有相位调整以提供跨越天线阵列的波前对准。一旦来自每一天线元件的输入进行了处理，那么每一天线输入进行相位调整达准确量，使得从给定方向到达的波前被对准。此对准提供将也于相同方向上对准的由天线元件发射的信号。
[0005]因为发射信号的方位角及高度角取决于发射信号的相位，所以呈现到波束成形雷达的输出级的阻抗的任何变化都可导致个别发射信号的方向的变化。另外，阻抗变化可导致个别发射信号的量值的变化。阻抗上的变化可归因于例如IC应用中的球或封包接口中的中断或短路或者许多其它变量等的多个原因而发生。
【发明内容】
[0006]—种用于确定微波系统中的第一级与第二级之间的复阻抗的方法包含检测由所述第一级发射的入射信号及检测从所述第二级反射的反射信号。测量所述入射信号及所述反射信号的量值。将所述检测到的入射信号相移第一角度以产生第一入射信号，且将所述检测到的反射信号相移所述第一角度以产生第一反射信号。将所述检测到的入射信号及所述第一入射信号与所述检测到的反射信号及所述第一反射信号混合。基于所述入射信号与所述反射信号的所述混合及所述量值确定反射系数的角度。
【附图说明】
[0007]图1是波束成形雷达的框图。
[0008]图2是图1的雷达中的两个发射信号的示意图。
[0009]图3是启用功率放大器与天线之间的复阻抗测量的发射电路的实施例的示意图。
[0010]图4是图3的相位检测器的实施例的示意图。
[0011]图5是描述用于确定微波系统中的第一级与第二级之间的复阻抗的实例方法的流程图，所述微波系统实施图3的相位检测器。
【具体实施方式】
[0012]图1是波束成形雷达100的框图。雷达100在方位及高度两者上以电方式移动波束102。图1的视图是侧视图，因此将波束102说明为仅在由角度106注解的高度上可移动。波束102由多个个别信号108组成，其中通过改变个别信号108的相位可移动波束102，如下文所描述。
[0013]雷达100包含信号产生器110，其产生经由波束102发射的发射信号。信号产生器110親合到信号分割器/分配器112，所述信号分割器/分配器112将信号102分割成对应于波束102中的个别信号108中的每一者的个别发射信号114。在一些实施例中，由多个个别信号产生器且非由单个信号产生器110产生个别信号。发射信号114被输入到多个移相器116，所述移相器116移位发射信号114中的每一者的相位以获得波束108的正确方位角及高度角。更特定来说，波束102中的个别信号108平行于彼此以向入射的单个信号的等效物提供目标(未展示)。
[0014]移相器116親合到多个输出级118，使得发射信号114中的每一者必要时被放大以驱动个别天线元件120。天线元件120形成为可为平坦表面的天线阵列122。个别发射信号114上的相移导致发射信号114中的每一者在时域中的特定延迟。因此，延迟使得个别发射信号108被操控到特定方向。
[0015]参考图2更详细地描述雷达100，图2为具有两个发射器信号电路202及204的电路200。发射器电路202及204两者是相同的，因此发射器电路202的以下描述也适用于发射器电路204。电路200的一些实施例可具有不同组件或每设计选择具有不同组件布置。发射器电路202包含信号源210，所述信号源210产生由发射器电路202发射的发射信号。在一些实施例中，发射器电路202与204两者都从单个信号源接收相同发射信号。信号源210耦合到提升或放大发射信号的驱动器212。驱动器212耦合到与图1的移相器116中的一者可相同或实质上类似的移相器214。移相器214是由处理器218控制的可变移相器。处理器218确定施加到所有个别发射信号的相移以便操控波束102。
[0016]移相器214耦合到功率放大器220，所述功率放大器220放大发射信号以供天线元件222发射。功率放大器220有时被称为输出级。传输线224将功率放大器220耦合到天线元件222。传输线224可为单个元件或其可包含若干元件。在一些实施例中，传输线224的至少一部分被制造于集成电路的裸片上，其中发射信号传导通过球栅阵列或裸片上的其它导电装置。功率放大器220与天线元件222之间的任何阻抗失配可改变发射信号的量值并移位发射信号的相位且使得从天线元件222发射的波束被位移。另外，阻抗失配中的相移及量值变化可改变波束形状，尤其是旁瓣中的波束形状。此外，量值变化影响雷达的范围。因此，如果功率放大器220与天线元件222之间存在阻抗失配，那么从天线元件222发射的波束将不会被入射到预定目标。此类错误的实例通过由虚线指示的波束226展示。如所展示，波束226不与波束102平行，此情形有效地产生非功能性波束226且使波束102弱化。
[0017]若干异常或类似物可引起阻抗失配，此情形导致误导波束226。这些阻抗失配将影响在微波范围内操作的任何装置，其中第一级将被匹配到第二级。举例来说，在一些实施例中，具有球栅阵列附接机构的裸片可发生故障，其中球可能不能正常传导。此类故障可引起相位上的变化而不会影响发射信号的量值。同样地，其它传导节点可能发生故障或具有引起发射信号的相移的阻抗变化。阻抗变化可使得反射波从天线222反射而不会改变反射系数Γ的量值。因此，需要复阻抗测量以测量功率放大器220与天线222之间的阻抗来确定阻抗失配是否已发生。
[0018]图3是启用微波输出与接收器之间的复阻抗测量的发射电路300的实施例的示意图。参考图3所描述的阻抗测量装置及方法可适用于除雷达外的微波装置。在图3的实施例中，输出级是功率放大器302且接收器是雷达的天线304。发射电路300可实质上类似于图2的发射电路202外加阻抗检测器310。举例来说，电路300包含移相器316，所述移相器316产生到功率放大器302的相移信号，如上文所描述。阻抗检测器310包含双向耦合器312，所述双向耦合器312使功率放大器302与天线304之间的正向波与反射波分离。正向波有时被称为入射信号Vi，且反射波有时被称为反射信号Vr。阻抗检测器310还可包含或耦合到测量入射信号的量值I Vi I的第一功率检测器313及测量反射信号的量值I Vr I的第二功率检测器314。将功率检测器313及314展示为基于二极管的检测器;然而，可实施检测器313及314的其它实施例。阻抗检测器310或耦合到所述阻抗检测器310的装置通过用入射信号Vr与反射信号Vi之间的O度及90度相移进行两个测量来确定反射系数Γ的相位。连同入射信号Vi及反射信号Vr的量值的相位信息被发射到处理器218或基于此信息确定或测量反射系数Γ的另一装置。
[0019]如上文所描述，功率检测器313及314测量入射信号的量值IVi I及反射信号的量值Vr |。反射信号的量值I Vr I与入射信号的量值I Vi I的比率产生反射系数的量值I Γ |。可由本文描述的电路及方法来确定或测量入射信号Vi与反射信号Vr之间的相位差值Θ。为解析用于确定反射系数F的相位Θ的余弦测量中固有的相位不明确性，可对入射信号Vi及反射信号Vr实施Oo及+/-45度的相移，以便用入射信号Vi与反射信号Vr之间的O度及90度相移获得正交测量。这些正交测量使得能够计算反射系数F的相位Θ。
[0020]在图4中展示相位检测器310的更详细实施例。相位检测器310具有两个输入，一个用于入射信号Vi且一个用于反射信号Vr。入射信号Vi耦合到第一开关SWl及第二开关SW2，所述第一开关SWl及第二开关SW2可为电子开关，例如场效应晶体管等。第一开关SWl借助于引起入射信号Vi的相移的长传输线402将入射信号Vi耦合到混合器400，所述相移在图4的实例中为大约五十度。第二开关SW2借助于短传输线404将入射信号Vi耦合到混合器400，在所述短传输线404处引起入射信号Vi的较小相移。在图4的实例中，短传输线404引起入射信号Vi的五度的相移。传输线402及404的长度经选择以在两个测量状态之间提供净的45度相移，如下文所描述。只要其差值是45度，那么传输线就可引起不同相移。在下文所描述的方程式中，将相移引用为β。
[0021]反射信号Vr耦合到第三开关SW3及第四开关SW4。第三开关SW3借助于长传输线408来将反射信号Vr耦合到混合器400，所述长传输线408在反射信号Vr中诱发与长传输线402在入射信号Vi中诱发的相移相同的相移。第四开关SW4借助于短传输线410将反射信号Vr親合到混合器400，所述短传输线410在反射信号Vr中诱发与短传输线404在入射信号Vi中诱发的相移相同的相移。在一些实施例中，由除传输线长度外的技术诱发入射信号Vi及反射信号Vr的相位角。在图4的实施例中，混合器400是无源元件，其使相位检测器310在其操作期间汲取很少功率。
[0022]开关SWl到SW4的状态由处理器218或能够接通或切断开关SWl到SW4的类似装置控制。处理器218或类似装置分析混合器400的输出以及入射信号Vi及反射信号Vr的量值以确定反射系数F的角度Θ。进行基于混合器400的输出以及入射信号Vi及反射信号Vr的量值的四个正交计算以确定角度Θ。四个计算被定义为如下方程式I到4:
[0023]Vout_01 =K I Vi I I Vr I cos(9)方程式I
[0024]Vout_02 = (K/a2)|Vi| |Vr|cos(9)方程式2
[0025]Vout_n45 = (K/a) I Vi I I Vr I cos(9-0)方程式3
[0026]Vout_p45 = (K/a) I Vi I I Vr I cos(9+0)方程式4
[0027]其中a与相位检测器310中的传输线402到410的衰减常数有关，且K是混合器400的转换增益。角度β是由传输线诱发的相位差值，所述相位差值可为45度。
[0028]存在六个未知变量，V1、Vr、K、aj及Θ，及六个方程式或测量，即方程式I到4以及Vi I及I Vr I的测量。应注意，在一些实施例中，不能准确地知晓β，但可使用方程式I到4来计算所述β。因此，可易于确定包含反射系数Γ的相位Θ的所有变量。通过适当地设定开关SWl到SW4的状态并测量混合器400的输出来进行方程式I到4的测量。在方程式I及2中，存在通过为入射信号Vi及反射信号Vr两者激活相同长度的传输线来达成的零相移，因此净相移为零。举例来说，可在开关SWl及SW3切断且开关SW2及SW4接通的情况下执行方程式I的测量，此情形导致净零相移。同样地，可在开关SWl及SW3接通且开关SW2及SW4切断的情况下执行方程式2的测量。处理器218或其它处理装置可通过方程式I到4确定常数K及a。举例来说，可通过使方程式2除以方程式I来计算常数a。因为I Vi I及I Vr I由功率检测器测量，所以可从方程式3及4计算常数K。假使“短”与“长”传输线之间的差值并不准确地为45度，那么六个测量(四个来自混合器400且两个来自入射信号Vi及反射信号Vr的量值)也允许估计。
[0029]在开关SW2及SW3接通而开关SWl及SW4切断的情况下执行方程式3的测量，此情形导致净负β度的相移。在开关SWl及SW4接通而开关SW2及SW3切断的情况下执行方程式4的测量，此情形导致净正β度的相移。在一些实施例中，角度β是四十五度。β相移之间的差值是九十度，其提供用于反射系数F的相位角Θ的明确确定的正交测量。如上文所描述，长及短传输线的相位差值可能并不等于四十五度。在这些情况下，仍可基于方程式I到4估计反射系数Γ的相位角Θ。在一些实施例中，仅长传输线402及408诱发可为45度的相移，使得相移信号与入射及反射信号混合。
[0030]阻抗检测器310及使用阻抗检测器310的方法使得能够在单个电路中确定由功率放大器302传送的复阻抗及绝对功率。入射信号Vi的功率测量提供由功率放大器302传送到天线304的绝对功率的估计。可使用提供对由无源二极管产生的峰值电压的估计的基于无源二极管的包络检测器实施功率检测。当检测器被嵌入于阻抗匹配系统中，例如可存在于双向耦合器312内的50 Ω系统中时，所产生的电压的RMS值提供对由功率放大器302输出的绝对功率的直接估计。移相器的使用允许使用混合器解决相位检测中固有的九十度不明确性。此提议中所使用的无源混合器允许具有极低功率消耗的无源阻抗检测电路。在一些实施例中，混合器400是线性混合器。
[0031]在雷达发射器中实施上文所描述的实例电路。然而，可在具有两个级之间的微波发射的其它电路中实施本文所描述的电路及方法。举例来说，具有向微波接收器发射的功率放大器的其它电路可能具有且实施上文描述的电路及方法。
[0032]由图5的流程图500展示用于确定微波系统中的第一级与第二级之间的复阻抗的实例方法，所述微波系统实施相位检测器310。流程图500包含在步骤502处检测由第一级发射的入射信号及在步骤504处检测从第二级反射的反射信号。所述方法进一步包含在步骤506处测量入射信号的量值及在步骤508处测量反射信号的量值。在步骤510处将所述检测到的入射信号相移第一角度以产生第一入射信号，且在步骤512处将所述检测到的反射信号相移所述第一角度以产生第一反射信号。在步骤514中，将所述检测到的入射信号及所述第一入射信号与所述检测到的反射信号及所述第一反射信号混合。在步骤516中，基于所述入射信号与所述反射信号的所述混合及所述量值确定反射系数的角度。
[0033]虽然本文中已详细描述了微波系统的一些实例，但应理解，可另外以各种方式体现及运用本发明概念，且附加权利要求书希望被解释为包含除由现有技术限制的范围内的变化外的此类变化。
【主权项】
1.一种用于确定微波系统中的第一级与第二级之间的复阻抗的方法，所述方法包括: 检测由所述第一级发射的入射信号: 检测从所述第二级反射的反射信号； 测量所述入射信号的量值； 测量所述反射信号的量值； 将所述检测到的入射信号相移第一角度以产生第一入射信号； 将所述检测到的反射信号相移所述第一角度以产生第一反射信号； 将所述检测到的入射信号及所述第一入射信号与所述检测到的反射信号及所述第一反射信号混合；以及 基于所述入射信号与所述反射信号的所述混合及所述量值确定反射系数的角度。2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括:基于所述反射信号的所述量值与所述入射信号的所述量值的比率计算所述反射系数的量值。3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括:基于所述反射系数的相位确定所述第一级与所述第二级之间的所述复阻抗。4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括: 将所述检测到的入射信号相移第二角度以产生第二入射信号；以及 将所述检测到的反射信号相移所述第二角度以产生第二反射信号。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一角度与所述第二角度之间的差值为四十五度。6.根据权利要求4所述的方法，其中所述混合包括: 将所述第一入射信号与所述第一反射信号混合以产生第一混合信号； 将所述第二入射信号与所述第二反射信号混合以产生第二混合信号； 将所述第一入射信号与所述第二反射信号混合以产生第三混合信号；以及 将所述第二入射信号与所述第一反射信号混合以产生第四混合信号。7.根据权利要求6所述的方法，其中: 所述第一混合信号具有净零相移； 所述第二混合信号具有净零相移； 所述第三混合信号具有净负四十五度的相移;且 所述第四混合信号具有净正四十五度的相移。8.根据权利要求6所述的方法，其中用于将所述第一及第二入射信号与所述第一及第二反射信号混合的混合器具有转换增益，且其中移相器具有衰减常数，所述方法进一步包括: 将所述第一混合信号乘以所述转换增益； 将所述第二混合信号乘以所述转换增益，且使所述第二混合信号除以所述衰减常数的平方； 将所述第三混合信号乘以所述转换增益，且使所述第三混合信号除以所述衰减常数；以及 将所述第四混合信号乘以所述转换增益，且使所述第四混合信号除以所述衰减常数。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一级是功率放大器。10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二级包括天线。11.根据权利要求1所述的方法，其中相移包括通过具有预先确定长度的传输线发射所述信号。12.—种用于确定微波系统的第一级与第二级之间的复阻抗的电路，所述电路包括: 双向耦合器，其耦合于所述第一级与所述第二级之间，所述双向耦合器用于使由所述第一级产生的入射信号与从所述第二级反射的反射信号分离； 相位检测器，其耦合到所述双向耦合器以确定所述入射信号与所述反射信号之间的相位； 第一功率检测器，其用于测量所述入射信号的量值； 第二功率检测器，其用于测量所述反射信号的量值；以及 处理器，其用于基于所述入射信号与所述反射信号之间的零相移的测量、所述入射信号与所述反射信号之间的九十度相移的测量及所述入射信号与所述反射信号的所述量值而确定反射系数的相位。13.根据权利要求12所述的电路，其中所述相位检测器包括: 第一移相器，其親合于所述双向親合器与混合器之间以对所述入射信号诱发第一相移; 第二移相器，其耦合于所述双向耦合器与所述混合器之间以对所述入射信号诱发第二相移； 第三移相器，其耦合于所述双向耦合器与所述混合器之间以对所述反射信号诱发第三相移；以及 第四移相器，其耦合于所述双向耦合器与所述混合器之间以对所述反射信号诱发第四相移。14.根据权利要求13所述的电路，其中: 所述第一移相器或所述第二移相器中的一者将所述双向耦合器耦合到所述混合器;且 所述第三移相器或所述第四移相器中的一者将所述双向耦合器耦合到所述混合器。15.根据权利要求13所述的电路，其进一步包括: 第一开关，其与所述第一移相器串联耦合； 第二开关，其与所述第二移相器串联耦合； 第三开关，其与所述第三移相器串联耦合；以及 第四开关，其与所述第四移相器串联耦合。16.根据权利要求13所述的电路，其中所述移相器是数个长度的传输线。17.根据权利要求13所述的电路，其中所述第一相移与所述第二相移之间的差值是四十五度。18.根据权利要求13所述的电路，其中所述第一及第三移相器诱发五十度的相移，且所述第二及第四移相器诱发五度的相移。19.根据权利要求12所述的电路，其中所述双向耦合器用于产生与由所述第一级输出的所述信号成比例的入射信号及与来自所述第二级的所述反射信号成比例的反射信号，且其中所述相位检测器包括: 第一传输线，其具有第一长度及串联耦合于所述双向耦合器与混合器之间的第一开关，所述第一传输线用于将第一相移诱发到所述入射信号中； 第二传输线，其具有第二长度及串联耦合于所述双向耦合器与所述混合器之间的第二开关，所述第二传输线用于将第二相移诱发到所述入射信号中； 第三传输线，其具有第三长度及串联耦合于所述双向耦合器与所述混合器之间的第三开关，所述第三传输线用于将所述第一相移诱发到所述反射信号中；以及 第四传输线，其具有第四长度及串联耦合于所述双向耦合器与所述混合器之间的第四开关，所述第四传输线用于将所述第二相移诱发到所述反射信号中。20.—种雷达，其包括: 天线元件； 输出级，其耦合到所述天线元件以用于驱动从所述天线元件发射的信号； 双向耦合器，其耦合于所述输出级与所述天线元件之间，所述双向耦合器用于检测由所述输出级产生的入射信号及从所述天线元件反射的反射信号； 相位检测器，其耦合到所述双向耦合器以用于确定所述入射信号与所述反射信号之间的相位； 第一功率检测器，其用于测量所述入射信号的量值； 第二功率检测器，其用于测量所述反射信号的量值；以及 处理器，其用于基于所述入射信号与所述反射信号之间的零相移的测量、所述入射信号与所述反射信号之间的九十度相移的测量以及所述入射信号及所述反射信号的所述量值而确定反射系数的相位。
【文档编号】G01R27/04GK106053943SQ201610221375
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年4月11日 公开号201610221375.X, CN 106053943 A, CN 106053943A, CN 201610221375, CN-A-106053943, CN106053943 A, CN106053943A, CN201610221375, CN201610221375.X
【发明人】克里希南舒·丹杜, 布莱恩·P·金斯伯格
【申请人】德州仪器公司