相控阵接收器、雷达系统以及运载工具的制造方法与工艺

本发明涉及相控阵接收器、雷达系统以及运载工具。

背景技术：
相控阵或智能天线是用于例如在雷达中或在无线通信系统中的电子可操纵定向天线。相控阵接收器包含天线元件组或矩阵和关联的接收信道电路，在关联的接收信道电路中，接收到的信号的相对相位以阵列的有效接收图案在期望的方向被引导以及在不期望的方向被抑制这样的方式而变化。波束形成被用于定向信号传输或接收的传感器阵列。这种空间选择性是通过使用自适应的或固定的接收/发射波束图案实现的。信号可以是随时间变化的物理数量携带信息，例如，变化电压电平，例如当接收电磁波的时候在天线元件处所发生的。采用波束形成的相控阵接收器控制了每个天线元件接收到的输入信号的相位和相对幅度，并以可以优先观察到特定的辐射方向图这样的方式组合由与每个天线元件相关联的接收信道传送的输出信号。相控阵接收器使用在天线矩阵的不同天线元件处接收到的输入信号的相位差来确定目标的角度位置。相控阵接收器例如被用于雷达系统中，其中带宽是中心频率的一小部分，并且由接收天线元件之间的空间距离引入的时间延迟可以被映射到接收到的信号之间的相移。空间差异转换成接收信道的输出信号的相位差，其可以例如是下变频信号，即频率可以低于接收到的信号的频率。这个原理可以被用于通过在接收信道处引入相移而控制天线波束。该相移可以在采样之后使用数字域中的数字波束形成（DBF），或在采样之前使用模拟域中的模拟波束形成（ABF）被实现。将输入信号转换成不同频率范围可以通过混合电路的手段被实现，该混合电路被布置成将输入或接收到的信号与由本地振荡器电路生成的信号混合。如图1中所示出的，第一相控阵接收器的第一现有技术接收信道100可以包含将射频（RF）信号传送到相移器电路112的天线元件110，该相移器电路112被布置成相移RF域中的信号并且将其提供给耦合到本地振荡器（LO）电路116的混合器电路114。生成的输出信号被传送到模拟或数字后处理118。后处理可以包括对由多个接收信道传送的输出信号进行求和。替代地，如图2中所示出的，第二现有技术相控阵接收器200具有多个接收信道，每个都包含天线元件210、220、224，该天线元件将射频信号（RF1、RF2、RF3）传送到对应的相移器电路212、222、226，该相移器电路212、222、226被布置成相移信号并且在提供给耦合到本机振荡器电路216的混合器电路214之前将其提供给求和电路228以用于RF域中的功率整合。然后，生成的输出信号被传送到模拟或数字后处理218。在Koh等人的2008年6月第6号第43卷第1360-1371页的固态电路IEEE杂志中的“AnX-andKu-Band8-ElementPhased-ArrayReceiverin0.18-μmSiGeBiCMOSTechnology（在0.18-μm的SiGeBiCMOS技术中的X-波段和Ku波段8元相控阵接收器）”中示出了使用所有RF架构实现的相控阵接收器，其中在RF级执行相移和功率整合。类似地，在Koh等人的2008年9月第9号第56卷第2046-2053页的微波理论与技术的IEEE事务中的“AQ-BandFour-ElementPhased-ArrayFront-EndReceiverwithIntegratedWilkinsonPowerCombinersin0.18-μmSiGeBiCMOSTechnology（在0.18-μm的SiGeBiCMOS技术中的带有集成Wilkinson功率整合器的Q-波段4元相控阵前端接收器）”中示出了所有RF架构，其中相移在接收到的信号路径中被应用。在Yu等人的2008年9月第9号第43卷第2134-2143页的固态电路IEEE杂志中的“A22-24GHz4-ElementCMOSPhasedArrayWithOn-ChipCouplingCharacterization（带有片上耦合特性的22-24GHz的4元CMOS相控阵）”中，输入信号被分割成同相（I）和相移正交（Q）分量。I和Q信号的生成和求和在RF信号路径中完成。如图3中所示出的，第三相控阵接收器的第三现有技术接收信道300可以包含将射频（RF）信号传送到混合器电路314的天线元件310。生成的输出信号被传送用于模拟或数字后处理318。本地振荡器电路316通过相移器电路312耦合到混合器电路314；该相移器电路312被布置成相移本地振荡器(LO)信号，即相移可以替代地不在接收到的信号路径中执行，而是在将LO信号应用到混合器器件以用于与接收到的RF信号混合之前在LO路径中执行。在Jeon等人的2008年12月第12号第43卷第2660-2673页的固态电路IEEE杂志中的“AScalable6-to-18GHzConcurrentDual-BandQuad-BeamPhased-ArrayReceiverinCMOS（在可伸缩的6至18GHz的并发双波段四核光束CMOS相控阵接收器）”中示出了集成相控阵接收器，其中在本地振荡器路径中执行相移。参照图4，示出了现有技术接收信道400，其中天线元件410将射频（RF）信号传送到功率分配器电路412。通过使用定向耦合器418和I-以及Q-混合器414、424与本地振荡器416信号混合来生成同相（I）和正交（Q）信号。I-和Q-信号被分离地应用于专用模数转换器（ADC）420、422以用于采样I-和Q-信号以及随后的数字处理。在PCT/US2006/046792中，陈述了线性FM雷达系统，其中两个模数转换（ADC）电路被用于采样IQ混合器的输出信号。如图5中所示出的，相控阵接收器的另一种现有技术接收信道500可以包含混合器电路514，该混合器电路514用于混合在天线元件510接收到的接收到的射频（RF）信号和本地振荡器516信号，以便将接收到的信号频移到不同频率，例如，低于RF的中间频率（IF）。然后，生成的IF信号可以通过使用IQ生成模块518被分割成同相信号520和90°相移正交信号522，然后同相信号520和90°相移正交信号522可以被应用到向量调制器或相移器或相位旋转器512以及加权放大器524。换句话说，输入RF信号首先被下变频成IF信号，以及IQ-生成和相移后来被应用于IF域中。在PCT/GB95/01607中，示出了相控阵雷达的电路模块，其中使用了超外差、单边带接收信道模块，每个I-和Q-输出具有专用ADC。在Erkens等人的IEEE2009中的“ALow-Cost,HighResolution,360°Phase/GainShifterinSiGeBiCMOS（SiGeBiCMOS中的低成本、高分辨率、360°相位/增益移位器）”中，多相滤波器被用于I-和Q-信号生成。

技术实现要素：
如所附权利要求中所描述的，本发明提供了相控阵接收器、雷达系统以及运载工具。本发明的具体实施例在从属权利要求中被阐述。根据下文中描述的实施例，本发明的这些或其它方面将显而易见，并且参照下文中描述的实施例被阐述。附图说明根据附图，仅仅通过举例的方式，本发明的进一步细节、方面和实施例将被描述。在附图中，类似的附图标记被用于表示相同的或功能相似的元素。附图中的元素为了简便以及清晰而被图示并且不一定按比例绘制。图1示意性地示出了第一相控阵接收器的第一现有技术接收信道的框图。图2示意性地示出了第二现有技术相控阵接收器的框图。图3示意性地示出了第三相控阵接收器的第三现有技术接收信道的框图。图4示意性地示出了第四相控阵接收器的第四现有技术接收信道的框图。图5示意性地示出了第五相控阵接收器的第五现有技术接收信道的框图。图6示意性地示出了相控阵接收器电路的接收信道的第一实施例的例子的框图。图7示意性地示出了相控阵接收器电路的接收信道的第二实施例的例子的框图。图8示意性地示出了对于不同度的相移，在输出信号电平上的接收信号电平的视图。图9示意性地示出了相控阵接收器电路的接收信道的相位旋转器的传递函数的例子的视图。图10示意性地示出了包括带有相控阵接收器电路的雷达系统的运载工具的实施例的例子的框图。具体实施方式因为本发明所说明的实施例在大多数情况下可以通过使用本领域所属技术人员已知的电子组件和电路被实施，不会在比上述所说明的认为有必要的程度大的任何程度上解释细节，以用于对本发明基本概念的理解以及认识为了不混淆或偏离本发明所教之内容。参照图6，示意性地示出了相控阵接收器电路的接收信道的第一实施例的例子的框图。相控阵接收器600包括多个模拟波束形成接收信道602，每个都包括被布置成接收射频（RF）信号的天线元件610，而且包括被布置成提供模拟信道输出信号（IF，n）的信道输出628。模拟波束形成接收信道中的至少一个包括同相下变频混合电路614，该同相下变频混合电路614被连接到天线元件610和本地振荡器源616并且被布置成给相位旋转电路612提供下变频同相信号；以及正交下变频混合电路620，该正交下变频混合电路620被连接到天线元件610和本地振荡器(LO)源616并且被布置成给相位旋转电路612提供下变频正交信号。相位旋转电路612被布置成给信道输出628提供从下变频同相信号和下变频正交信号生成的相移模拟输出信号。所示出的接收信道可以是模拟波束形成接收信道；在天线元件610和信道输出628之间的信号路径中没有执行信号的采样。相位旋转电路或向量调制电路612可以被布置成将相控阵的接收模式的波束形成所需的定义的相移引入到通过组合同相和正交信号而生成的输出信号。相位旋转器的实现可以确定系统的精度。取代了将相移应用于LO路径，所示出的模拟波束形成接收信道可以将相移应用于IF信号路径中，即在下变频和I-和Q-信号生成之后，相比于现有技术解决方案，这可以降低信道增益对相位设置的依赖，减少所需的芯片面积、功耗和PVT变化，即集成电路的功率、电压和温度的变化，并提供大的中频带宽。所示出的接收信道602可以被认为是模拟接收信道，即使可以提供采样和量化可以被认为是数字表示的控制信号值，例如应用于相位旋转电路612以应用所期望的相移。图6中所示出的提供LO信号的LO源616可以例如是相控阵系统的发射副本。或者它可以在接收器处被实施为生成LO信号的单一的电路。在另一个实施例中，可以使用单独的LO电路来生成应用于每个混合器的LO信号，例如，生成相同频率的LO信号。在又一个实施例中，可以使用被布置成直接生成I-和Q-LO信号的IQ振荡器来生成LO信号。同相混合电路614和正交混合电路620可以是下变频混合电路，即，通过将接收到的RF信号与同相以及90°相移的LO信号相混合，I-和Q-混合器输出信号可以被转化成具有低于那些接收到的RF信号的频率的频率的信号，其可以被称为中间频率（IF）。在后处理期间，该频率可能会或可能不会进一步减小。应注意，术语“频率”可能不仅仅是指单一的不同的频率值，而是指特定信号可能包括的频率的频谱。模拟波束形成接收信道602中的至少一个可以包括加权放大器电路624或可变增益放大器电路，加权放大器电路624或可变增益放大器电路被连接以在提供给信道输出628之前放大相移模拟输出信号。加权因子可以通过控制输入（未示出），例如通过控制器电路，被应用于加权放大器电路624。加权放大器电路624可以是幅度加权放大器或者可变增益放大器（VGA），从而例如允许源自外信道的信号抑制，并且将较大的权重放在在内信道接收到的信号上。相控阵接收器600可以包括第一求和电路，该第一求和电路被连接到多个模拟波束形成接收信道的信道输出628、630、632、634、636，并且被布置成提供模拟求和输出信号638。可以在信道输出630、632、634、636处提供接收信道输出信号IF、1、IF、2、IF、m-1以及IF、m，其中m表示信道编号。在图6中，只有相控阵电路600的多个模拟波束形成接收信道的一个602被详细示出。其它接收信道通过其信道输出630、632、634、636被指示。所示出的模拟波束形成在处理之前可以允许对所有接收信道输出信号求和，这可以大大降低数字要求。只有求和输出信号638（IF、OUT）可以被转换成数字表示，而相位旋转和加权可以在模拟域中被执行。相控阵接收器600可以包括一个模数转换电路640（ADC），该模数转换电路640被连接以接收模拟求和输出信号并且提供数字求和输出信号。只有一个单一的ADC640可以被用于多个或所有的接收信道，例如相比于数字波束形成方案，节省芯片面积和降低功耗、存储器、以及数字信号处理要求。当大量的接收信道被使用的时候，所示出的实施例可以例如是合适的。ADC的数量可能保持不变，一个，因为所有的相移和加权信号可以在模拟域中被求和。所示出的实施例可以允许由很多接收信道（例如，4、8、16、32等等，每个都带有高信噪比（SNR））组成的低成本ABF相控阵系统，这可以允许高角分辨率模拟波束形成（ABF）系统，但需要大的芯片面积并且当使用数字波束形成的时候变得非常昂贵。大量的接收信道，例如，4、8、16、或32，可能需要建立带有精确的角度分辨率的高性能汽车雷达系统。每接收信道具有一个或两个ADC的数字波束形成（DBF）解决方案通常太昂贵、高耗电，并且从整合的角度来看，消耗大的芯片面积。通过使用每个信道内的可调相移操控接收天线波束以及对然后馈送给一个ADC的一个输出信号的所有信道的输出进行求和，ABF解决了这个问题。该方法例如可以允许建造非常便宜的77GHz的雷达传感器。使用加权放大器，每个接收信道可以例如被衰减或放大以产生期望的波束图案。相控阵接收器电路600的模拟波束形成接收信道602中的至少一个可以包括功率分配器电路642，该功率分配器电路642被连接在天线元件610和同相下变频混合电路614以及正交下变频混合电路620之间。功率分配器电路642，或功分器电路，可以被布置成将接收到的RF信号分成提供给同相下变频混合电路614和正交下变频混合电路620的第一射频信号和类似或相同的第二射频信号。多个模拟波束形成接收信道602中的至少一个可以包括一个或多个高通滤波器电路622、626，该高通滤波器电路622、626被布置成在提供给相位旋转电路612之前对下变频同相（I）信号和下变频正交（Q）信号进行高通滤波，这可能有助于将相位旋转电路612从例如通过下变频混合器电路614、620引入的任何DC电平解耦。高通滤波下变频I-和Q-信号可以保护相位旋转免受过载，即免受被驱动到饱和，这可以允许对接收到的信号进行非常精确评估。在另一个实施例中，高通滤波可以仅仅被应用于同相或正交信号。同相下变频混合电路614和正交下变频混合电路620可以是零差下变频混合电路。零差混合电路接收具有与接收到的（RF）信号的频率相对应的频率的LO-信号，从而允许接收到的信号直接转换成输出信号，而例如外差混合电路可以接收具有与RF信号频率不同的频率的中间频率的LO信号，从而要求在提供具有目标输出频率的输出信号之前的附加转换步骤。而且，与全通滤波器或用于IF域中的多相滤波器不同，所示出的同相下变频混合电路614和正交下变频混合电路620可以被布置成传送下变频宽带信号，例如覆盖若干十进位（decade）的频率范围。作为例子，射频信号可以是雷达信号，例如用于汽车雷达系统中的77GHz的雷达信号。所示出的模拟波束形成接收信道602可以允许提供覆盖例如10kHz至20MHz的若干十进位的同相和正交信号，使得宽带能够在接收信道602中相移。所示出的接收信道可以允许使用零差混合电路614、620在RF域中的IQ信号生成，该零差混合电路614、620在例如10kHz-20MHz的高于宽IF范围上生成适合于汽车雷达的两个信号90°异相，并且将这些信号馈送给IF域中的相位旋转电路612。汽车雷达差拍信号的IF范围可以跨越不止三个十进位，例如从10kHz至20MHz。现在参照图7，示意性地示出了相控阵接收器电路的接收信道700的第二实施例的例子的视图。输入RF信号可以被放大器电路710放大，并且在功率分配之后，被提供给同相下变频混合电路714和正交下变频混合电路720。I-和Q-信号可以通过高通滤波器722、724被提供给相位旋转电路712，它可以例如被实施为允许AC耦合的电容器件。相位旋转电路712可以包括多个可控可变增益放大器件726、728，以及第二求和电路730。多个可控可变增益放大器件726、728可以被布置成根据由控制器器件（未示出）提供的参数值分离地放大下变频同相信号和下变频正交信号。下变频90°异相I-和Q-信号可以通过不同放大系数被放大并且随后由求和电路730被求和，以便将可调相移引入到所示出的接收信道700的输出信号732。可变增益控制可以通过应用离散参数值以用于引入精确可选择度的相移被应用于可变增益放大器件726、728。在另一个实施例中，可以使用连续的变化参数值来实现增益控制。相同可变增益放大器器件726、728可以被用于由信道传送的输出信号的高精度幅度加权。所示出的相位旋转器电路712可以例如作为集成电路或作为包括相控阵的集成电路的一部分被提供。模拟波束形成接收信道602中的至少一个可以包括定向耦合器电路718，该定向耦合器电路718被连接到本地振荡器源716的输出，并且被布置成向同相下变频混合电路714提供同相本地振荡器信号以及向正交下变频混合电路720提供正交本地振荡器信号。定向耦合器可以是无源器件，易于集成并且可以允许应用射频LO信号。定向耦合器可以例如包括作为被动定向耦合器的支线耦合器，例如当使用微带技术实施的时候是合适的。LO信号可以在RF域中被生成，在被动支线耦合器的情况下，这可以使同相和正交信号至少高于LO中心频率的10％。在相控阵接收器的另一个实施例中，定向耦合器718可以包括分频器电路。由本地振荡器源716生成的本地振荡器信号可以使用倍频器电路被提供给分频器电路。现在参照图8，示出了对于不同度的相移，在输出信号电平812（伏特）上的接收信号电平810的例子的视图800。在所示出的例子中，相移以15°的步长（0°至360°）被应用于模拟波束形成接收信道的相位旋转器，该模拟波束形成接收信道在IF为1MHz处接收输入信号。图中的有效点用“x”表示。也参照图9，示出了相控阵接收器电路920的接收信道的相位旋转器910的传递函数的例子的视图。相位旋转器的传递函数是由彼此间隔15°的图线集合给出的，其中绝对相移α（度）被绘制高于下变频信号的频率IF(Hz)。可以看出，对于所示出的每个相移，相位差不取决于IF。图912示出了接收信道的增益G(dB)可以仅仅很少依赖于所选择的相移设置。现在参照图10，示意性地示出了包括带有相控阵接收器电路的雷达系统的运载工具的实施例的例子的框图。雷达系统1010可以包括如上面所描述的相控阵接收器1020。它可以进一步包括用于发射雷达信号的发送器。应当注意，雷达频率范围可以被认为是射频范围的子集。该雷达系统1010可以是任何雷达系统，例如汽车雷达系统。所说明的雷达系统可以是低成本、高性能的汽车雷达系统，其中智能相移功能的实现是通过将RF域中的宽带I-和Q-信号生成和所描述的IF域中的模拟相位旋转器的使用进行组合。在实施例中，它可以进一步包括IF域中的幅度加权。运载工具1000可以包括上面所描述的雷达系统1010或相控阵接收器1020。运载工具可以是汽车、船舶、飞机、直升机或卫星。在汽车中，汽车雷达系统可以例如被用于跟踪汽车之间的安全距离或作为停车辅助系统。在前面的说明书中，参照本发明实施例的特定例子已经对本发明进行了描述。然而，很明显可以在不脱离附属权利要求中所陈述的本发明的宽范围精神及范围的情况下做出各种修改和变化。本发明所讨论的连接可以是适于例如经由中间器件传输来自或去往相应的节点、单元或器件的信号的任何类型的连接。因此，除非暗示或另外说明，连接例如可以是直接连接或间接连接。连接可以被说明或描述，涉及到是单一连接、多个连接、单向连接、或双向连接。然而，不同实施例可以改变连接的实现。例如，可以使用单独单向连接而不是双向连接，并且反之亦然。而且，多个连接可以被替换为连续地或以时间复用方式传输多个信号的单一连接。同样地,携带多个信号的单一连接可以被分离成携带这些信号的子集的各种不同的连接。因此，存在传输信号的许多选项。本领域所属技术人员将认识到逻辑块之间的界限仅仅是说明性，以及替代实施例可以合并逻辑块或电路元件或在各种逻辑块或电路元件上强加替代的分解功能。因此，应了解，本发明描述的架构仅仅是示例性的，并且事实上可以实施实现相同功能的很多其它架构。例如，同相混合电路614和正交混合电路620可以被实施为组合的IQ混合器。为了实现相同功能的组件的任何布置被有效地“关联”以便所需的功能得以实现。因此，本发明中组合以实现特定功能的任何两个组件可以被看作彼此“相关联”，使得所需的功能得以实现，而不论架构还是中间组件。同样地，如此关联的任何两个组件还可以被认为是彼此被“可操作连接”或“可操作耦合”以实现所需的功能。此外，本领域所属技术人员将认识到上述描述的操作之间的界限只是说明性的。所述多个操作可以组合成单一的操作，单一的操作可以分布在附加操作中以及操作可以在时间上至少部分重叠地被执行。而且，替代实施例可以包括特定操作的多个实例，并且操作的顺序在各种其它实施例中可以更改。而且，例如，在一个实施例中，说明的例子可以被实施为位于单一集成电路上的电路或在相同器件内的电路。例如，混合电路614、620和相位旋转电路612可以被实施为在单一集成电路上实施的电路。替代地，例子可以被实施为任何数量的单独集成电路或以合适的方式彼此相连的单独器件。例如，相控阵接收器的每个模拟波束形成接收信道602可以被实施在单独集成电路上。而且，例如，例子或其一部分可以诸如用任何合适类型的硬件描述语言被实施为物理电路的软或代码表示，或能够转化成物理电路的逻辑表示。而且，本发明不限定在非可编程硬件中实现的物理器件或单元，而是也可以应用在通过根据合适的程序代码操作能够执行所需的器件功能的可编程器件或单元中，诸如，主机、微型计算机、服务器、工作站、个人计算机、笔记本、个人数字助理、电子游戏、汽车和其它嵌入式系统、手机和各种其它无线设备，在本申请中共同表示为“计算机系统”。然而，其它修改、变化和替代也是可能的。说明书和附图相应地是从说明性的而不是限制性意义上来考虑的。在权利要求中，放置在括号之间的任何参考符号不应当被解释为限定权利要求。单词“包括”不排除除了在权利要求中列出的那些之外的其它元素或步骤的存在。此外，如在此使用的“一”或“一个”被定义为一个或不止一个。而且，即使当同一权利要求中包括介绍性短语“一个或多个”或“至少一个”以及，诸如“一”或“一个”的不定冠词，在权利要求中诸如“至少一个”以及“一个或多个”的介绍性短语的使用也不应该被解释成暗示通过不定冠词“一”或“一个”引入另一个权利要求元素将包括这样的引入的对发明的权利元素的任何其它特定权利要求限制成仅包含一个这样的元素的发明。这同样适用于定冠词的使用。除非另有说明，诸如“第一”以及“第二”的术语被用于任意区分这样的术语描述的元素。因此，这些术语不一定意在指示这样的元素的时间或其它优先次序。特定措施在相互不同的权利要求中被记载的简单事实并不指示这些措施的组合不能被用于获取优势。虽然本发明原理已经结合特定装置在上面被描述，但是应清楚了解本描述仅仅是通过举例的方式并且不对本发明范围进行限制。