专利名称：毫米波fmcw两单元相控阵测距测速单片雷达收发机的制作方法
技术领域：
本发明属于测距测速雷达收发机领域，尤其涉及到采用单芯片集成电路技术实现的工作于毫米波波段的采用连续波调制(FMCW)方式的ニ単元相控阵接收的雷达收发装置。
背景技术：
毫米波所处于的频段为30GHz 300GHz，其波长在ImnTlOmm的范围内。由于其波长的特殊性，毫米波具有独特的性质，与亚毫米波，红外直至可见光频段相比，毫米波在畑、雾、云、沙尘暴等环境中衰减非常小。因此在许多红外和可见光探测设备不能正常工作的场景下，毫米波依然可以正常工作，从而可以大大提高毫米波探測设备对复杂环境的适应性。由于毫米波的这些特性，其在雷达方面的应用有着较大的优势。毫米波雷达可以应用在汽车防撞雷达方面，汽车防撞雷达通过检测前方目标的距 离和速度，当检测值不在正常范围的时候便发出预警或者強制处理措施，以减少撞车事故发生的可能性。汽车防撞雷达安装在汽车的前方，必须要适应各种复杂的路况，能够在各种环境下检查处汽车前方的目标。相比倒车雷达和后视雷达而言，对汽车防撞雷达的要求更加苛刻要求能够侦查到前方区域所有运动和静止目标；要求具有足够动态范围，能够检测不同距离的具有不同雷达截面积的目标；一般而言要求系统作用距离在300m左右；系统的响应时间必须足够快，否则可能因为系统响应太慢，即使做出了预警司机也来不及反应；系统要小，便于在车上安装。毫米波雷达由于其在各种复杂环境下的稳定探測性能，是实现汽车防撞雷达的最好选择。毫米波雷达主要使用的频段为77GHz。欧洲在2005年已经将77 91GHz分配给毫米波超带宽雷达，原有频段21. 65 26. 65GHz的短距雷达在2013年之前全部退出市场，留给毫米波雷达8年的发展过渡期。目前市场存在的大部分毫米波雷达，均采用分立微波元件实现，其体积较大以及价格昂贵，限制了毫米波雷达的广泛使用。采用集成电路技术将其集成化是解决其成本问题的ー个可行的方案。集成电路制造エ艺的进步为人们提供了此种可能性。目前为止，CMOSエ艺晶体管的截止频率已经超过了 200GHz，采用这样的エ艺进行毫米波雷达的设计室完全可行的。为了获得高増益，毫米波雷达的天线波束往往较窄，仅仅能够检测某个小角度内的目标，例如，毫米波汽车前向防撞雷达的天线波束一般为15度左右。如果将相控阵技术应用于毫米波雷达，使得其波束可以在控制下进行角度的扫描，这样能够大大的扩展毫米波雷达的应用范围。本发明提出了一种采用单芯片集成电路技术实现的两单元相控阵毫米波雷达系统，此系统采用连续波调频(FMCW)的调制方式，可以测量目标的距离和速度，同吋，此系统具有两路接收通路，通过在系统内部设计移相器，可以实现两单元的相控阵接收机，实现180度的波束覆盖范围。系统内部有多个可配置的參数，可以根据所需要的測量范围以及精度来自主进行配置，从而大大提高了此系统的应用范围。采用单芯片集成电路的技术也会给此系统带来成本以及体积上的优势。

发明内容
本发明的目的在于提出一种采用FMCW调制方式的两单元相控阵测距测速单片雷达系统，其特征在于包括连续波调制方式的发射模块，以下简称FMCW发射模块、两单元接收模块、数字控制模块以及偏置产生模块，其中FMCff发射模块，用于产生FMCW调制信号，依次经第三缓冲放大器、功率放大器PA放大后，再经发射天线发射出去，所述FMCW发射模块，包括锁相环PLL、功率放大器PA以及缓冲放大器BUF1 BUF3，其中锁相环PLL，以下简称锁相环，包括鉴频鉴相器PFD，以下简称鉴频鉴相器、电荷泵CP，以下简称电荷泵、环路滤波器LOOP FILTER,以下简称环路滤波器、压控振荡器VC0，以下简称压控振荡器、依次1/2分频的四个分频器DIVfDIV4、16 23可配置整数分频的分频器DIV5以及DELTA-SIGMA调制器DSM，以下简称调制器，其中，所述鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器以及五个分频器DIVf DIV5依次串接成环状，所述鉴频鉴相器的第一输入端输入參考频率F_REF信号，第二输入端则与第五个分频器DIV5分频后的分频信·号输出端相连，所述第五分频器DIV5的分频控制信号输入端与调制器的调制信号输出端相连，所述压控振荡器的输出端依次连接第一缓冲放大器BUFl以及放大增益可调的第三缓冲放大器BUF3，功率放大器PA，输入端与所述第三缓冲放大器BUF3的输出端相连，用于将产生的FMCff调制信号进行功率放大，再通过发射天线发射出去；两单元接收模块，用于对接收到的回波进行下变频、放大和滤波，再转换为数字信号供外部的数字处理部分处理，所述两单元接收模块包括两路平行的低噪声放大器，分别用LNAl及LNA2表示、两路平行的混频器，分别用MIXERl及MIXER2表示、两路平行的移相器，分别用PHASE SHIFTER1及PHASE SHIFTER2表示、三个缓冲放大器，分别用BUF2、BUF4及BUF5表示、跨阻放大器，用TIA表示、模拟基带部分以及数模转换器ADC，其中两路平行的低噪声放大器，用于对从接收天线接收到的两路信号RXIN_1和RXIN_2进行放大，以压制后续模块的噪声，向所述两路平行的混频器对应的提供输入信号，两路平行的混频器，分别对输入的信号进行混频后得到中频信号，该混频器均为无源混频器，两个混频器的差分输出的正端之间相连接，差分输出的负端之间也相连接，五个缓冲放大器，其中，第二缓冲放大器BUF2的输入与第一缓冲放大器BUFl的输出端相连，对输入的所述FMCW发射模块产生的本振信号进行缓冲放大后，同时传送到第四缓冲放大器BUF4和第五缓冲放大器BUF5的输入端，分别各自经放大之后分别送往相应的第一移相器 PHASE SHIFTER1 和第二移相器 PHASE SHIFTER2,两路平行的移相器，分别对各自输入的所述FMCW发射模块产生的本振信号进行单端到差分的转换，同时分别在输入的第一移相控制信号PHASE CTRL1、第二移相控制信号PHASE CTRL2的控制下完成移相功能，结果输出给对应的第一混频器MIXERl和第二混频器MIXER2，所述的两个移相控制信号PHASE CTRL U PHASE CTRL2来自所述的数字控制模块，分别覆盖360度范围。跨阻放大器，用TIA表示，由跨导放大器OTA及两个反馈电阻RES1、RES2构成，所述跨导放大器的OTA的正负两个输入端分别与所述两路平行的混频器相对应的正负输出端相连接，并将其输出的电流信号转化为电压信号，模拟基带部分，包括三个可编程増益放大器PGAf PGA3、五阶巴特沃斯低通滤波器LPF以及三个直流失调消除反馈模块DCOCf DC0C3，其中所述三个可编程增益放大器的増益依次设置为6dB、12dB、18dB或者24dB，所述五阶巴特沃斯低通滤波器的带宽依次设置为200kHz、500kHz、lMHz或者2MHz，第一可编程增益放大器PGAl、五阶巴特沃斯低通滤波器LPF、第二可编程增益放大器PGA2以及第三可编程增益放大器PGA3依次连接，所述第一可变成增益放大器PGAl的输入端与跨导放大器OTA的输出端相连接，所述PGA3的输出连接到数字模拟转换ADC的输入端，第一直流失调消除反馈模块DCOCl的输入端与所述五阶巴特沃斯低通滤波器的输出端连接，所述第一直流失调消除反馈模块DCOCl的输出端与第一可编程增益放大器PGAl的输入端相连，第二直流失调消除反馈模块DC0C2的输入端与第二可编程增益放大器PGA2的输出端连接，所述第二直流失调消除反馈模块DC0C2的输出端与第二可编程增益放大器PGA2的输入端相连，第三直流失 调消除反馈模块DC0C3的输入端与第三可编程增益放大器PGA3的输出端连接，所述第三直流失调消除反馈模块DC0C3的输出端与第三可编程增益放大器PGA3的输入端相连，从而实现对整个接收通路的直流失调的抑制；数字控制模块，为所述外部数字处理部分提供接ロ，并对所有可配置变量进行控制，包括所述FMCW调制信号的扫频周期、扫频带宽、发射信号的功率、接收支路的増益、五阶巴特沃斯低通滤波器的带宽以及移相器的移相值，所述数字控制模块包括串行数据接ロ，用SPI表示、寄存器堆以及三角波发生器，其中串行数据接ロ，用干与所述外部数字处理部分通信，将控制信号写入内部寄存器堆，所述串行数据接ロ的输入端分别为外部时钟CLK、外部状态翻转时钟SCLK、外部片选信号SCS以及外部串行输入数据SDI，所述串行数据接ロ的第一输出端为串行数据输出端SD0，所述串行数据接ロ的第二输出端连接到寄存器堆的输入，用于控制寄存器堆中的寄存器存储的数值，寄存器堆，用于控制三角波发生器的状态以及为此雷达中所有可配置变量提供控制，包括所述FMCW调制信号的扫频周期、扫频带宽、发射信号的功率、接收支路的増益、五阶巴特沃斯低通滤波器的带宽以及移相器的移相值，所述寄存器堆的输入端与串行数据接ロ的输出端相连接，所述寄存器堆的输出端与三角波发生器的输入端以及其余可配置变量的控制端相连接，三角波发生器，用于产生三角波波形，给FMCW发射模块中的调制器提供控制信号，从而产生FMCW连续波调制的信号，所述三角波发生器的输入端与寄存器堆相连接，所述三角波发生器的输出端与FMCW发射模块中的调制器的输入端相连接；偏置产生模块，为毫米波FMCW两单元相控阵测距测速单片雷达收发机提供所需的偏置电压以及偏置电流。本发明的测距测速单片雷达系统，其优点第一在于采用单芯片集成电路技术实现，系统的尺寸小而且成本低，第二在于可以对其中的许多系统指标进行配置，在发射机部分，FMCW调制信号的扫频周期，扫频带宽，以及发射信号的功率可以进行配置；在接收机部分，接收机的増益，中频带宽，移相器角度可以进行配置，从而此系统可以应用于近距离、远距离以及不同角度的目标的检测，可以针对不同的应用实现不同的精度。


图I是毫米波FMCW两单元相控阵测距测速单片雷达系统的结构图。图2是毫米波FMCW两单元相控阵测距测速单片雷达系统的一个实施例。图3是FMCW调制信号实现测距测速的原理图。图4是相控阵接收机的原理图。
具体实施例方式本发明由FMCW发射模块、两单元接收模块、数字控制模块以及偏置产生模块组成。FMCW发射模块又主要由产生FMCW调制信号的锁相环PLL以及功率放大器PA构成；两単元接收模块主要由两路平行的低噪声放大器LNAl和LNA2、两路平行的混频器MIXERl和MIXER2和两路平行的移相器PHASE SHIFTER1和PHASE SHIFTER2、模拟基带部分和数模转 换器ADC构成。在图2中给出了此测距测速单片雷达系统的ー个实施例。该实施例包含三部分，天线部分、测距测速单片雷达部分以及数字处理基带部分。其中，天线部分包括两个接收天线RX_ANT_1以及RX_ANT_2和ー个发射天线TX_ANT，数字处理基带部分包括控制逻辑、FFT变换、SPI接ロ控制、幅值检测以及距离速度信息处理逻辑。此实施例的工作过程可描述如下数字基带产生FMCW波形控制信号控制FMCW连续调频的周期以及扫频的带宽，通过数字控制接ロ提供给测距测速雷达中的三角波发生器模块TRI GEN，然后三角波发生器模块产生ー个数字三角波信号提供给DELTA-SIGMA调制器模块，从而控制了锁相环PLL的小数分频比，从而在VCO的输出端产生ー个扫频带宽以及周期都受控制的毫米波FMCW信号，此信号经过缓冲放大之后一部分提供给功率放大器P)，经过发射天线TX_ANT发射出去，上述即为此实施例的发射过程；发射信号在遇到目标之后反射回接收天线RX_ANT_1以及RX_ANT_2，进入系统内部后分别经过两路低噪声放大器放大，由混频器与移相之后的本振信号进行混频，本振信号由前面提及的PLL提供，从而得到中频信号，中频信号经过低通滤波器滤波，带宽可配置为200kHz、500kHz、lMHz或者2MHz，再经过可编程增益放大器放大，其增益根据数字基带幅度检测模块的检测结果进行自动配置，使得其増益在一个合适的范围内，最后进过ADC转化为8位数字信号进入数字基带部分，上述即为此实施例的接收过程；数字信号进入数字基带之后，经过FFT变换转换为频域，对其进行幅度检测，以及通过一定的处理得出目标的距离和速度的信息，幅度检测的结果通过控制逻辑生成相应的控制量，由SPI接ロ写入测距测速单片雷达收发机系统内部，改变其内部的配置以适应当前的应用环境，上述即为数字基带信号处理过程。本测距测速雷达系统采用FMCW的连续波调制机制进行距离和速度的測量，其原理解释如下FMCff调制产生的频率随时间呈三角波形状变化，如图3所示。设FMCW扫频周期为Tm，扫频带宽范围为BW。对于静止目标，设目标距离为R，那么目标反射回波与本振产生的调制波形之间的时间差A t=2R/c，其中c为光速。那么混频之后产生的中频信号频率与目标距离有如下关系，
权利要求
1.毫米波FMCW两单元相控阵测距测速单片雷达收发机，其特征在干，包括连续波调制方式的发射模块，以下简称FMCW发射模块、两单元接收模块、数字控制模块以及偏置产生模块，其中 FMCff发射模块，用于产生FMCW调制信号，依次经第三缓冲放大器、功率放大器PA放大后，再经发射天线发射出去，所述FMCW发射模块，包括锁相环PLL、功率放大器PA以及缓冲放大器BUFl BUF3，其中 锁相环PLL，以下简称锁相环，包括鉴频鉴相器PFD，以下简称鉴频鉴相器、电荷泵CP，以下简称电荷泵、环路滤波器LOOP FILTER,以下简称环路滤波器、压控振荡器VC0，以下简称压控振荡器、依次1/2分频的四个分频器DIVfDIV4、16 23可配置整数分频的分频器DIV5以及DELTA-SIGMA调制器DSM，以下简称调制器，其中，所述鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器以及五个分频器DIVf DIV5依次串接成环状，所述鉴频鉴相器的第一输入端输入參考频率F_REF信号，第二输入端则与第五个分频器DIV5分频后的分频信号输出端相连，所述第五分频器DIV5的分频控制信号输入端与调制器的调制信号输出端相连，所述压控振荡器的输出端依次连接第一缓冲放大器BUFl以及放大增益可调的第三缓冲放大器BUF3， 功率放大器PA，输入端与所述第三缓冲放大器BUF3的输出端相连，用于将产生的FMCW调制信号进行功率放大，再通过发射天线发射出去； 两单元接收模块，用于对接收到的回波进行下变频、放大和滤波，再转换为数字信号供外部的数字处理部分处理，所述两单元接收模块包括 两路平行的低噪声放大器，分别用LNAl及LNA2表示、两路平行的混频器，分别用MIXERl及MIXER2表示、两路平行的移相器，分别用PHASE SHIFTER1及PHASE SHIFTER2表示、三个缓冲放大器，分别用BUF2、BUF4及BUF5表示、跨阻放大器，用TIA表示、模拟基带部分以及数模转换器ADC，其中 两路平行的低噪声放大器，用于对从接收天线接收到的两路信号RXIN_1和RXIN_2进行放大，以压制后续模块的噪声，向所述两路平行的混频器对应的提供输入信号， 两路平行的混频器，分别对输入的信号进行混频后得到中频信号，该混频器均为无源混频器，两个混频器的差分输出的正端之间相连接，差分输出的负端之间也相连接， 五个缓冲放大器，其中，第二缓冲放大器BUF2的输入与第一缓冲放大器BUFl的输出端相连，对输入的所述FMCW发射模块产生的本振信号进行缓冲放大后，同时传送到第四缓冲放大器BUF4和第五缓冲放大器BUF5的输入端，分别各自经放大之后分别送往相应的第一移相器 PHASE SHIFTER1 和第二移相器 PHASE SHIFTER2, 两路平行的移相器，分别对各自输入的所述FMCW发射模块产生的本振信号进行单端到差分的转换，同时分别在输入的第一移相控制信号PHASE CTRL1、第二移相控制信号PHASE CTRL2的控制下完成移相功能，结果输出给对应的第一混频器MIXERl和第二混频器MIXER2，所述的两个移相控制信号PHASE CTRL U PHASE CTRL2来自所述的数字控制模块，分别覆盖360度范围。
跨阻放大器，用TIA表示，由跨导放大器OTA及两个反馈电阻RES1、RES2构成，所述跨导放大器的OTA的正负两个输入端分别与所述两路平行的混频器相对应的正负输出端相连接，并将其输出的电流信号转化为电压信号，模拟基带部分，包括三个可编程増益放大器PGAfPGA3、五阶巴特沃斯低通滤波器LPF以及三个直流失调消除反馈模块DCOCf DC0C3，其中所述三个可编程增益放大器的增益依次设置为6dB、12dB、18dB或者24dB，所述五阶巴特沃斯低通滤波器的带宽依次设置为200kHz,500kHzUMHz或者2MHz，第一可编程增益放大器PGA1、五阶巴特沃斯低通滤波器LPF、第二可编程增益放大器PGA2以及第三可编程增益放大器PGA3依次连接，所述第一可变成增益放大器PGAl的输入端与跨导放大器OTA的输出端相连接，所述PGA3的输出连接到数字模拟转换ADC的输入端，第一直流失调消除反馈模块DCOCl的输入端与所述五阶巴特沃斯低通滤波器的输出端连接，所述第一直流失 调消除反馈模块DCOCl的输出端与第一可编程增益放大器PGAl的输入端相连，第二直流失调消除反馈模块DC0C2的输入端与第二可编程增益放大器PGA2的输出端连接，所述第二直流失调消除反馈模块DC0C2的输出端与第二可编程增益放大器PGA2的输入端相连，第三直流失调消除反馈模块DC0C3的输入端与第三可编程增益放大器PGA3的输出端连接，所述第三直流失调消除反馈模块DC0C3的输出端与第三可编程增益放大器PGA3的输入端相连，从而实现对整个接收通路的直流失调的抑制； 数字控制模块，为所述外部数字处理部分提供接ロ，并对所有可配置变量进行控制，包括所述FMCW调制信号的扫频周期、扫频带宽、发射信号的功率、接收支路的増益、五阶巴特沃斯低通滤波器的带宽以及移相器的移相值，所述数字控制模块包括串行数据接ロ，用SPI表示、寄存器堆以及三角波发生器，其中 串行数据接ロ，用干与所述外部数字处理部分通信，将控制信号写入内部寄存器堆，所述串行数据接ロ的输入端分别为外部时钟CLK、外部状态翻转时钟SCLK、外部片选信号SCS以及外部串行输入数据SDI，所述串行数据接ロ的第一输出端为串行数据输出端SD0，所述串行数据接ロ的第二输出端连接到寄存器堆的输入，用于控制寄存器堆中的寄存器存储的数值， 寄存器堆，用于控制三角波发生器的状态以及为此雷达中所有可配置变量提供控制，包括所述FMCW调制信号的扫频周期、扫频带宽、发射信号的功率、接收支路的増益、五阶巴特沃斯低通滤波器的带宽以及移相器的移相值，所述寄存器堆的输入端与串行数据接ロ的输出端相连接，所述寄存器堆的输出端与三角波发生器的输入端以及其余可配置变量的控制端相连接， 三角波发生器，用于产生三角波波形，给FMCW发射模块中的调制器提供控制信号，从而产生FMCW连续波调制的信号，所述三角波发生器的输入端与寄存器堆相连接，所述三角波发生器的输出端与FMCW发射模块中的调制器的输入端相连接； 偏置产生模块，为毫米波FMCW两单元相控阵测距测速单片雷达收发机提供所需的偏置电压以及偏置电流。
全文摘要
毫米波FMCW两单元相控阵测距测速单片雷达收发机属于测距测速雷达收发机领域，其特征在于，由FMCW发射模块、两单元接收模块、数字控制模块以及偏置产生模块构成，FMCW发射模块用于产生FMCW连续波调制信号，放大之后通过天线发射出去，两单元接收模块用于完成对从目标反射回的信号进行处理，数字控制模块用于对系统内部的可配置量提供控制，FMCW调制信号的扫频周期、扫频带宽、发射信号的功率、接收支路的增益、五阶巴特沃斯低通滤波器的带宽以及移相器的移相值都可以进行配置，可以应用于近距离、远距离以及不同角度的目标的检测。
文档编号G01S7/282GK102866387SQ20121039362
公开日2013年1月9日 申请日期2012年10月16日 优先权日2012年10月16日
发明者池保勇, 贾海昆, 况立雪, 王志华 申请人:清华大学