一种单发双收毫米波调频连续波收发系统的制作方法

1.本发明涉及一种单发双收毫米波调频连续波收发系统，属于射频收发技术领域。


背景技术：

2.现有的毫米波雷达系统中心频率有24ghz、77ghz等，目前市场上可见最高频率同类收发芯片中心频率为77ghz，具体频率范围为75ghz
‑
81ghz。针对目前24ghz、77ghz频段拥挤，多设备间相互干扰严重。一方面，中心频率过低，虽然收发系统相对来说容易制作，然而天线尺寸增大，使用不方便，同时也不利于设备便携化及小型化。因此，需要探索中心频率更高的毫米波收发设备。然而，中心频率越高，制作难度越大。另一方面，芯片体积较大，难以满足微型精确测距系统的体积约束。然而，制作小型收发设备，难度很大，具体涉及到各类电路之间的信号传输与约束，例如：压控振荡器、混频以及倍频等电路的噪声抑制与交调失真消除。
3.本申请致力于研究120ghz中心频率波段，满足微型精确测距系统体积约束及干扰抑制需求的微型毫米波调频连续波收发系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对目前24ghz、77ghz频段拥挤，收发设备体积较大且设备间存在严重的相互干扰，难以满足微型精确测距系统体积约束的技术现状，提出了一种单发双收毫米波调频连续波收发系统。
5.为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：
6.所述单发双收毫米波调频连续波收发系统，包括数字接口、spi接口、dac1、dac2、低噪声放大器1、低噪声放大器2、压控振荡器、二倍频器、功率放大器、混频器1、混频器2、混频器3、混频器4、90
°
移相器1、90
°
移相器2、压控衰减器1、压控衰减器2、压控衰减器3、压控衰减器4、发射天线t、接收天线r1和接收天线r2；
7.其中，压控振荡器外接锁相环以及滤波电路，以提高压控振荡器输出基频的稳定性；发射天线t、接收天线r1和接收天线r2采用aoc封装；且发射天线t、接收天线r1和接收天线r2均布设在氮化镓基材上，封装在所述的收发系统内部，降低了本振的传输损耗；其中，aoc封装，即片上天线封装，全称为：antenna on chip；
8.发射天线t、接收天线r1和接收天线r2周边的氮化镓基材采取挖深槽措施，沟槽深度是50um量级，这使得收发天线的隔离度提高10db；
9.所述单发双收毫米波调频连续波收发系统中各模块的连接关系如下：
10.数字接口与压控振荡器、功率放大器、压控衰减器1、压控衰减器2、压控衰减器3以及压控衰减器4相连，spi接口分别与dac1和dac2相连，低噪声放大器1分别与接收天线r1以及混频器1和混频器2相连，低噪声放大器2分别与接收天线r2以及混频器3和混频器4相连，dac1与压控振荡器相连，压控振荡器与二倍频器相连；二倍频器分别与90
°
移相器1、90
°
移相器2、混频器1以及混频器3相连，接收天线r1与低噪声放大器1相连；低噪声放大器1分别
与混频器1和混频器2相连；接收天线r2与低噪声放大器2相连；低噪声放大器2分别与混频器3和混频器4相连，90
°
移相器1、90
°
移相器2分别与二倍频器、混频器3以及混频器4相连；混频器1与低噪声放大器1以及压控衰减器1相连；混频器2分别与低噪声放大器1、90
°
移相器1以及压控衰减器2相连。
11.所述毫米波调频连续系统中各组成部件的信号连接关系如下：
12.数字接口接收外部传来的信息通过spi接口控制dac1和dac2；其中，dac1产生的控制电压给压控振荡器vco，当外部接口输入随时间线性变化的数字编码，使得dac1输出端产生随时间线性变化的锯齿波电压，从而控制vco产生线性调频信号，该信号的中心频率为61ghz，带宽可达
±
1ghz；该信号送往二倍频器进行倍频，产生中心频率122ghz，带宽4ghz的线性调频信号，该信号经过功率放大器后，通过发射天线t发射出去；
13.辐射信号经过外部物体反射，接收天线r1以及接收天线r2分别接收；两路接收信号的处理过程完全一致，具体为：
14.接收天线r1接收到的信号经过低噪声放大器1放大后，送往混频器1和混频器2；混频器1和混频器2的本振信号来自二倍频器，二倍频输出信号与发射信号同相位，另一路的二倍频输出信号通过90
°
移相器1与发射信号正交；经混频器1和混频器2后，不同距离的目标得到中心频率为零中频的不同频率的正弦信号，信号的频率与目标距离所述系统的远近有关，距离越远，频率越高；该中频信号送往压控衰减器1和压控衰减器2进行中频增益控制，分别输出i路中频信号1和q路中频信号1；
15.接收天线r2接收到的信号经过低噪声放大器2放大后，送往混频器3和混频器4；混频器3和混频器4的本振信号来自二倍频器，二倍频器输出的信号与发射信号同相位，另一路的二倍频输出信号通过90
°
移相器2与发射信号正交；经混频器3和混频器4后，不同距离的目标得到中心频率为零中频的不同频率的正弦信号，信号的频率与目标距离所述系统的远近有关，距离越远，频率越高；该中频信号送往压控衰减器3和压控衰减器4进行中频增益控制，分别输出i路中频信号2和q路中频信号2；
16.所述单发双收毫米波调频连续波收发系统中各部件的功能如下：
17.数字接口用于控制压控振荡器、功率放大器、压控衰减器1、压控衰减器2、压控衰减器3及压控衰减器4的开启与关闭；spi接口将接收的数字信息分别传输给dac1和dac2，dac2和dac1的功能是将传来的数字信息转换为模拟信息；压控振荡器的功能是输出基频；二倍频器的功能是将基频进行二倍频输出射频信号，该射频信号既是发射信号，也是接收本振；功率放大器将该射频信号放大后，经发射天线t发射出去；低噪声放大器1和低噪声放大器2用于分别放大接收天线r1和接收天线r2收到的信号，混频器1、混频器2、混频器3和混频器4的功能是混频；压控衰减器1、压控衰减器2、压控衰减器3和压控衰减器4的功能是受输入控制输出衰减后的电压信号。
18.有益效果
19.所述一种单发双收毫米波调频连续波收发系统，与现有收发系统相比，具有如下有益效果：
20.1.所述系统采用两路接收信号与一个发射信号，共同构成了单发双收天线阵列，能有效提高天线的方向性和处理增益；
21.2.所述系统中压控振荡器对外输出的引脚通过外接锁相环芯片和锁相滤波电路，
进一步提高基频的稳定性；
22.3.所述系统的发收天线直接布设在氮化镓基材上，并封装在系统内部，降低了122ghz极高频率下的传输损耗；
23.4.所述系统天线的沟槽深度是常规单发双收毫米波调频连续波收发系统中天线沟槽的3
‑
5倍，使得收发隔离度提高10db，提高了本接收系统的检测能力。
附图说明
24.图1为本发明一种单发双收毫米波调频连续波收发系统的组成结构示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种单发双收毫米波调频连续波收发系统进行详细阐述。
26.实施例1
27.具体实施时，图1为本发明一种单发双收毫米波调频连续波收发系统的组成结构示意图。
28.其中，数字接口用于控制所述单发双收毫米波调频连续波收发系统中的控制压控振荡器、功率放大器、压控衰减器1、压控衰减器2、压控衰减器3以及压控衰减器4是否开启，例如：控制压控振荡器是否启振，控制各个压控衰减器是否起作用，控制功率放大器的开启和关闭。
29.发射天线t、接收天线r1以及接收天线r2均采用aoc封装(antenna on chip，片上天线封装)，且发射天线t、接收天线r1和接收天线r2统称为射频天线。
30.具体实施时，发射天线t、接收天线r1和接收天线r2直接布设在氮化镓基材上，并封装在“单发单收毫米波调频连续波收发系统”内部，降低了二倍频后生成的122ghz射频信号的传输损耗。
31.具体实施时，压控振荡器输出的基频为61ghz，为提高系统的抗干扰能力和射频性能，压控振荡器通过vtune引脚输出61ghz的基频，通过外接锁相环芯片和锁相滤波电路，提高61ghz中心频率的稳定性；为进一步提高收发天线隔离度以及提高接收系统检测能力，所述系统具体实施时，封装中的发射天线t、接收天线r1和接收天线r2周边的氮化镓基材采取了挖深槽措施，沟槽深度是常规单发双收毫米波调频连续波收发系统中天线沟槽的3
‑
5倍，使得收发隔离度提高10db，提高了本接收系统的检测能力。
32.系统内的压控振荡器在vtune引脚上随输入电压控制，产生61ghz的基准频率信号，具体为:如果在vtune引脚加上随着时间变化的电压，就能在压控振荡器vco上得到随时间线性变化的频率。该信号经过二倍频，得到中心频率为122ghz的w波段毫米波信号。该信号通过发射天线t被辐射出去。接收天线r1收到的信号经0
°‑
90
°
移相，送入iq正交混频器进行混频，得到基带iq双路信号。混频使用的本振信号就是经过二倍频的122ghz线性调频发射信号，这样不同距离目标反射回接收天线的电磁波，与本振信号之间就存在频率差，频差大小正比于目标与接收天线距离。通过iq正交混频器混频，得到的信号，就是一个频率与目标距离成正比的iq双路基带正弦信号。
33.本系统具体实施时，当需要与外部时钟进行同步时，压控振荡器输出的基准频率
信号，经16分频，得到3.8ghz左右的信号，与外参考信号通过锁相环进行锁相，从而达到相参。为判断射频链路是否正常工作，系统中包含相位检波器模块，通过发射链路耦合一部分发射能量，进行判断。
34.具体实施时，外部数字系统可通过spi接口对dac1和dac2进行控制，所述dac1及dac2为两个高速高精度12bit dac；
35.接收天线r1到的信号经过低噪声放大器1放大后，送往混频器1和混频器2。混频器1的本振信号来自二倍频器，与发射信号同相位；混频器2的输入信号一路为二倍频器输出再通过90
°
移相器后的信号，该信号与发射信号正交；另外一路是低噪声放大器1传输来的从接收天线r1来的信号。经混频器1和混频器2混频后，得到零中频i路信号和得到零中频q路信号；此两路信号均为中心频率为零中频的一系列正弦信号，信号的频率与目标距离芯片的远近有关，距离越远，频率越高；零中频i路信号和零中频q路信号分别送往压控衰减器1和压控衰减器2进行中频增益控制，输出两路中频信号：i路中频1(同相中频)，q路中频1(正交中频)；这两路中频信号从系统输出后，能被系统外的高速运放进一步放大，并进行带通adc数模变换采样，从而得到数字中频信号，进行进一步的信号处理。
36.接收天线r2到的信号经过低噪声放大器2放大后，送往混频器3和混频器4。混频器3的本振信号来自二倍频器，与发射信号同相位；混频器4的输入信号一路为二倍频器输出再通过90
°
移相器后的信号，该信号与发射信号正交；另外一路是低噪声放大器2传输来的从接收天线r2来的信号。经混频器3和混频器4混频后，得到零中频i路信号和得到零中频q路信号；此两路信号均为中心频率为零中频的一系列正弦信号，信号的频率与目标距离芯片的远近有关，距离越远，频率越高；零中频i路信号和零中频q路信号分别送往压控衰减器3和压控衰减器4进行中频增益控制，输出两路中频信号：i路中频2(同相中频)，q路中频2(正交中频)；这两路中频信号从系统输出后，能被系统外的高速运放进一步放大，并进行带通adc数模变换采样，从而得到数字中频信号，进行进一步的信号处理。
37.两路接收通道，一共可以得到4路中频，分别是：i路中频1(同相中频)，q路中频1(正交中频)，i路中频2(同相中频)，q路中频2(正交中频)。这两路接收信号，与一个发射信号，就共同构成了单发双收天线阵列，能够有效提高天线的方向性和处理增益。
38.以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。

技术特征：
1.一种单发双收毫米波调频连续波收发系统，其特征在于：包括数字接口、spi接口、dac1、dac2、低噪声放大器1、低噪声放大器2、压控振荡器、二倍频器、功率放大器、混频器1、混频器2、混频器3、混频器4、90
°
移相器1、90
°
移相器2、压控衰减器1、压控衰减器2、压控衰减器3、压控衰减器4、发射天线t、接收天线r1和接收天线r2；所述单发双收毫米波调频连续波收发系统中各模块的连接关系如下：数字接口与压控振荡器、功率放大器、压控衰减器1、压控衰减器2、压控衰减器3以及压控衰减器4相连，spi接口分别与dac1和dac2相连，低噪声放大器1分别与接收天线r1以及混频器1和混频器2相连，低噪声放大器2分别与接收天线r2以及混频器3和混频器4相连，dac1与压控振荡器相连，压控振荡器与二倍频器相连；二倍频器分别与90
°
移相器1、90
°
移相器2、混频器1以及混频器3相连，接收天线r1与低噪声放大器1相连；低噪声放大器1分别与混频器1和混频器2相连；接收天线r2与低噪声放大器2相连；低噪声放大器2分别与混频器3和混频器4相连，90
°
移相器1、90
°
移相器2分别与二倍频器、混频器3以及混频器4相连；混频器1与低噪声放大器1以及压控衰减器1相连；混频器2分别与低噪声放大器1、90
°
移相器1以及压控衰减器2相连；所述毫米波调频连续系统中各组成部件的信号连接关系如下：数字接口接收外部传来的信息通过spi接口控制dac1和dac2；其中，dac1产生的控制电压给压控振荡器vco，当外部接口输入随时间线性变化的数字编码，使得dac1输出端产生随时间线性变化的锯齿波电压，从而控制vco产生线性调频信号，该信号的中心频率为61ghz，带宽可达
±
1ghz；该信号送往二倍频器进行倍频，产生中心频率122ghz，带宽4ghz的线性调频信号，该信号经过功率放大器后，通过发射天线t发射出去；辐射信号经过外部物体反射，接收天线r1以及接收天线r2分别接收；两路接收信号的处理过程完全一致，具体为：接收天线r1接收到的信号经过低噪声放大器1放大后，送往混频器1和混频器2；混频器1和混频器2的本振信号来自二倍频器，二倍频输出信号与发射信号同相位，另一路的二倍频输出信号通过90
°
移相器1与发射信号正交；经混频器1和混频器2后，不同距离的目标得到中心频率为零中频的不同频率的正弦信号，信号的频率与目标距离所述系统的远近有关，距离越远，频率越高；该中频信号送往压控衰减器1和压控衰减器2进行中频增益控制，分别输出i路中频信号1和q路中频信号1；接收天线r2接收到的信号经过低噪声放大器2放大后，送往混频器3和混频器4；混频器3和混频器4的本振信号来自二倍频器，二倍频器输出的信号与发射信号同相位，另一路的二倍频输出信号通过90
°
移相器2与发射信号正交；经混频器3和混频器4后，不同距离的目标得到中心频率为零中频的不同频率的正弦信号，信号的频率与目标距离所述系统的远近有关，距离越远，频率越高；该中频信号送往压控衰减器3和压控衰减器4进行中频增益控制，分别输出i路中频信号2和q路中频信号2。2.根据权利要求1所述的一种单发双收毫米波调频连续波收发系统，其特征在于：压控振荡器外接锁相环以及滤波电路，以提高压控振荡器输出基频的稳定性。3.根据权利要求2所述的一种单发双收毫米波调频连续波收发系统，其特征在于：发射天线t、接收天线r1和接收天线r2采用aoc封装。4.根据权利要求3所述的一种单发双收毫米波调频连续波收发系统，其特征在于：发射
天线t、接收天线r1和接收天线r2均布设在氮化镓基材上，封装在所述的收发系统内部，降低了本振的传输损耗；其中，aoc封装，即片上天线封装，全称为：antenna on chip。5.根据权利要求4所述的一种单发双收毫米波调频连续波收发系统，其特征在于：发射天线t、接收天线r1和接收天线r2周边的氮化镓基材采取挖深槽措施，沟槽深度是50um量级，这使得收发天线的隔离度提高10db。6.根据权利要求5所述的一种单发双收毫米波调频连续波收发系统，其特征在于：数字接口用于控制压控振荡器、功率放大器、压控衰减器1、压控衰减器2、压控衰减器3及压控衰减器4的开启与关闭。7.根据权利要求6所述的一种单发双收毫米波调频连续波收发系统，其特征在于：spi接口将接收的数字信息分别传输给dac1和dac2，dac2和dac1的功能是将传来的数字信息转换为模拟信息。8.根据权利要求7所述的一种单发双收毫米波调频连续波收发系统，其特征在于：压控振荡器的功能是输出基频；二倍频器的功能是将基频进行二倍频输出射频信号，该射频信号既是发射信号，也是接收本振；功率放大器将该射频信号放大后，经发射天线t发射出去。9.根据权利要求8所述的一种单发双收毫米波调频连续波收发系统，其特征在于：低噪声放大器1和低噪声放大器2用于分别放大接收天线r1和接收天线r2收到的信号。10.根据权利要求9所述的一种单发双收毫米波调频连续波收发系统，其特征在于：混频器1、混频器2、混频器3和混频器4的功能是混频；压控衰减器1、压控衰减器2、压控衰减器3和压控衰减器4的功能是受输入控制输出衰减后的电压信号。
技术总结
本发明涉及一种单发双收毫米波调频连续波收发系统，属于射频收发技术领域。包括数字接口、SPI接口、DAC、低噪声放大器、压控振荡器、二倍频器、功率放大器、混频器、90


技术研发人员：秦俊峰 姚云燕 沈光 张前悦 杨宗富 胡亚超
受保护的技术使用者：北京冠群桦成信息技术有限公司
技术研发日：2021.03.26
技术公布日：2021/6/29