CN112904284B - 毫米波雷达收发系统及雷达 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种毫米波雷达收发系统及雷达，涉及雷达技术领域。本发明通过本振传输线连接两块相同的第一雷达收发芯片和第二雷达收发芯片，本振传输线连接第一雷达收发芯片的第一本振输出端口和第二雷达收发芯片的第二本振输入端口。在本发明中，两颗雷达收发芯片通过本振传输线级联，实现一种六通道发射(6T)/八通道接收(8R)的毫米波雷达收发系统，提高了信号吞吐量，利用第一雷达收发芯片上的第一本振产生及倍频模块作为频率源，为两块雷达收发芯片提供本振信号，两颗雷达收发芯片级间本振信号通过本振传输线传输，整个雷达系统实现了宽带调频、高速调频和高功率输出，简化了雷达系统的设计，提高了集成度，降低了雷达系统的成本。

Description

毫米波雷达收发系统及雷达

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种毫米波雷达收发系统及雷达。

背景技术

随着毫米波雷达收发芯片的普及，尤其是77GHz毫米波芯片在CMOS工艺领域中的突破，基于毫米波雷达的传感器需求日益增大。毫米波雷达的应用范围也扩展到安防成像、生命体征检测、手势识别等0～40m探测距离的应用场景。

对于近距离或超近距离毫米波雷达收发系统，现有技术为了提高信道吞吐量、距离分辨率并缩短信号处理时间，一般会采用多路收发前端器件+高性能频率源的结构。

然而，多路收发前端器件+高性能频率源的结构会带来成本的增加和系统体积、功耗的增大。即现有的毫米波雷达收发系统成本过高。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种毫米波雷达收发系统及雷达，解决了现有的毫米波雷达收发系统成本高的技术问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明提供一种毫米波雷达收发系统，包括：

第一雷达收发芯片，包括第一本振产生及倍频模块和第一本振输出端口，所述第一本振产生及倍频模块用于产生本振信号；

第二雷达收发芯片，包括第二本振输入端口、第二本振选择模块和第二本振产生及倍频模块，所述第二本振产生及倍频模块关闭且不向片外输出本振信号；

本振传输线，所述本振传输线连接所述第一本振输出端口和所述第二本振输入端口；

所述本振传输线将所述本振信号传输给第二雷达收发芯片，所述第二本振选择模块将所述本振信号传输至片内用于雷达工作。

优选的，所述第一雷达收发芯片还包括：

第一本振输入端口、第一本振选择模块、第一本振功分模块、第一四通道接收模块和第一三通道发射模块；正常工作时，所述第一本振产生及倍频模块产生本振信号，经过所述第一本振选择模块选通后传输至所述第一本振功分模块，第一本振功分模块再将信号功分后分别传输至第一四通道接收模块、第一三通道发射模块和第一本振输出端口，第一本振输入端口关闭。

优选的，所述第二雷达收发芯片还包括：

第二本振功分模块、第二四通道接收模块、第二三通道发射模块和第二本振输出端口；正常工作时，第二本振输入端口开启，第二本振选择模块选通来自第二本振输入端口的本振信号并传输至第二本振功分模块，第二本振功分模块再将信号功分后分别传输至第二四通道接收模块、第二三通道发射模块，第二本振产生及倍频模块关闭，第二本振输出端口关闭。

优选的，所述第一本振产生及倍频模块包括频率源和第一倍频器，频率源产生19.25GHz频段本振信号，经第一倍频器后倍频至38.5GHz频段本振信号输出。

优选的，所述第一四通道接收模块包括第二倍频器、第一功分器和四通道毫米波接收前端，第二倍频器将来自本振功分模块的38.5GHz频段本振信号倍频到77GHz频段，再经过第一功分器分成四路77GHz频段本振信号给四通道毫米波接收前端。

优选的，所述第一三通道发射模块包括第三倍频器、第二功分器和三通道毫米波发射前端，第三倍频器将来自本振功分模块的38.5GHz频段本振信号倍频到77GHz频段，再经过第二功分器分成三路77GHz频段信号给三通道毫米波发射前端。

优选的，所述四通道毫米波接收前端包括四个完全相同的毫米波接收前端，每个毫米波接收前端包括毫米波输入端口、毫米波低噪声放大器、毫米波混频器、本振信号驱动放大器、模拟基带电路模块、模数转换器和数字输出端口，所述毫米波输入端口依次连接毫米波低噪声放大器、毫米波混频器，所述毫米波混频器还依次连接模拟基带电路模块、模数转换器、数字输出端口，所述毫米波混频器还和本振驱动放大器连接，所述本振驱动放大器还和第一功分器连接。

优选的，所述三通道毫米波发射前端包括三个完全相同的毫米波发射前端，每个毫米波发射前端包括毫米波移相器、毫米波功率放大器、毫米波输出端口，所述毫米波移相器和第二功分器连接，所述毫米波移相器还依次和毫米波功率放大器、毫米波输出端口连接。

优选的，所述第二雷达收发芯片和所述第一雷达收发芯片结构相同。

本发明还提供一种毫米波雷达，包括上述所述毫米波雷达收发系统。

(三)有益效果

本发明提供了一种毫米波雷达收发系统及雷达。与现有技术相比，具备以下有益效果：

本发明通过本振传输线连接两块相同的第一雷达收发芯片和第二雷达收发芯片，本振传输线连接第一雷达收发芯片的第一本振输出端口和第二雷达收发芯片的第二本振输入端口。其中，第二雷达收发芯片的第二本振产生及倍频模块关闭且不向片外输出本振信号，第二雷达收发芯片的第二本振选择模块将来自本振传输线的本振信号传输至片内用于雷达工作。在本发明中，两颗雷达收发芯片通过本振传输线级联，实现一种六通道发射(6T)/八通道接收(8R)的毫米波雷达收发系统，提高了信号吞吐量，利用第一雷达收发芯片上的第一本振产生及倍频模块作为频率源，为两块雷达收发芯片提供本振信号，两颗雷达收发芯片级间本振信号通过本振传输线传输，整个雷达系统实现了宽带调频、高速调频和高功率输出，简化了雷达系统的设计，提高了集成度，降低了雷达系统的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种毫米波雷达收发系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种发射信号调频带宽的频谱图；

图3是本发明实施例提供的一种发射信号调频频率随时间变化的波形图；

图4是本发明实施例提供的一种发射信号输出功率随频率变化的曲线图。

其中，110-第一雷达收发芯片，120-本振传输线，130-第二雷达收发芯片，210-第一本振输入端口，220-第一本振选择模块，230-第一本振产生及倍频模块，240-第一本振功分模块，250-第一四通道接收模块，260-第一三通道发射模块，270-第一本振输出端口，211-第二本振输入端口，221-第二本振选择模块，231-第二本振产生及倍频模块，241-第二本振功分模块，251-第二四通道接收模块，261-第二三通道发射模块，271-第二本振输出端口，310-第一倍频器，320-频率源，330-第二倍频器，340-第一功分器，350-四通道毫米波接收前端，360-第三倍频器，370-第二功分器，380-三通道毫米波发射前端，410-毫米波输入端口，420-毫米波低噪声放大器，430-毫米波混频器，440-本振信号驱动放大器，450-模拟基带电路模块，460-模数转换器，470-数字输出端口，510-毫米波移相器，520-毫米波功率放大器，530-毫米波输出端口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例通过提供一种毫米波雷达收发系统及雷达，解决了现有的毫米波雷达收发系统成本过高，实现宽带调频、高速调频和高功率输出，简化了雷达系统的设计，提高了集成度，降低了雷达系统的成本。

本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

对于近距离或超近距离毫米波雷达收发系统，现有技术为了提高信道吞吐量、距离分辨率并缩短信号处理时间，一般会采用多路收发前端器件+高性能频率源的结构，但这会带来成本的增加和系统体积、功耗的增大；若要控制成本、体积和功耗，可使用高集成度毫米波雷达收发芯片，但单颗芯片难以在毫米波频段同时兼顾高数据吞吐量、高线性度、高调频带宽、高调频速率等指标，从而制约整个雷达系统的性能。为解决这一问题，本发明实施例提供了一种毫米波雷达收发系统及雷达，利用第一雷达收发芯片上的第一本振产生及倍频模块作为频率源，为两块雷达收发芯片提供本振信号，两颗雷达收发芯片级间本振信号通过本振传输线传输，整个雷达系统实现了宽带调频、高速调频和高功率输出，简化了雷达系统的设计，提高了集成度，降低了雷达系统的成本。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本发明实施例提供了一种毫米波雷达收发系统，如图1所示，该包括：第一雷达收发芯片110、第二雷达收发芯片130和本振传输线120。

其中：

第一雷达收发芯片110包括第一本振产生及倍频模块230和第一本振输出端口270，上述第一本振产生及倍频模块230用于产生本振信号。

第二雷达收发芯片130包括第一本振输出端口211、第二本振选择模块221和第二本振产生及倍频模块231，上述第二本振产生及倍频模块231关闭且不向片外输出本振信号；第一本振输出端口211通过本振传输线120与第一雷达收发芯片110的第一本振输出端口270连接。

上述本振传输线120将本振信号传输给第二雷达收发芯片130，第二本振选择模块221将第一本振产生及倍频模块230产生的本振信号传输至第二雷达收发芯片130内用于雷达工作。

在本发明实施例中，两颗雷达收发芯片通过本振传输线级联，实现一种六通道发射(6T)/八通道接收(8R)的毫米波雷达收发系统，提高了信号吞吐量，利用第一雷达收发芯片上的第一本振产生及倍频模块作为频率源，为两块雷达收发芯片提供本振信号，两颗雷达收发芯片级间本振信号通过本振传输线传输，整个雷达系统实现了宽带调频、高速调频和高功率输出，简化了雷达系统的设计，提高了集成度，降低了雷达系统的成本。

如图1所示，第一雷达收发芯片110包括第一本振输入端口210、第一本振选择模块220、第一本振产生及倍频模块230、第一本振功分模块240、第一四通道接收模块250、第一三通道发射模块260和第一本振输出端口270，正常工作时，第一本振产生及倍频模块230产生本振信号，经过第一本振选择模块220选通后传输至第一本振功分模块240，第一本振功分模块240再将信号功分后分别传输至第一四通道接收模块250、第一三通道发射模块260和第一本振输出端口270，第一本振输入端口210关闭。

第二雷达收发芯片130与第一雷达收发芯片110完全相同，包括第一本振输出端口211、第二本振选择模块221、第二本振产生及倍频模块231、第二本振功分模块241、第二四通道接收模块251、第二四通道接收模块261和第二本振输出端口271，正常工作时，第一本振输出端口211开启，第二本振选择模块221选通来自第一本振输出端口211的本振信号并传输至第二本振功分模块241，第二本振功分模块241再将信号功分后分别传输至第二四通道接收模块251、第二四通道接收模块261，第二本振产生及倍频模块231关闭，第二本振输出端口271关闭。

第一本振输出端口270依次连接本振传输线120和第一本振输出端口211。

第一雷达收发芯片110和第二雷达收发芯片130可以产生并发射带宽7.2GHz、调频速率大于300MHz/us、功率大于13dBm的调频连续波。

在具体实施过程中，第一本振功分模块240包括频率源320模块和第一倍频器310，频率源320模块产生19.25GHz频段本振信号，经第一倍频器310后倍频至38.5GHz频段本振信号输出，第二本振功分模块241与第一本振功分模块240完全相同。

在具体实施过程中，第一四通道接收模块250包括第二倍频器330、第一功分器340和四通道毫米波接收前端350，第二倍频器330将来自本振功分模块的38.5GHz频段本振信号倍频到77GHz频段，再经过第一功分器340分成四路77GHz频段本振信号给四通道毫米波接收前端350，第二四通道接收模块251与第一四通道接收模块250完全相同。

在具体实施过程中，第一三通道发射模块260包括第三倍频器360、第二功分器370和三通道毫米波发射前端380，第三倍频器360将来自本振功分模块的38.5GHz频段本振信号倍频到77GHz频段，再经过第二功分器370分成三路77GHz频段信号给三通道毫米波发射前端380，第二四通道接收模块261与第一三通道发射模块260完全相同。第一、第二本振功分模块工作在38.5GHz频段，第一、第二功分器工作在77GHz频段，本振功分模块和功分器的尺寸与信号频率有关，频率越高尺寸越小，但对于芯片设计而言，频率越高，传输损耗越大，采用此种架构可兼顾系统的高输出功率、大扫描带宽以及小尺寸。

在具体实施过程中，四通道毫米波接收前端350包括四个完全相同的毫米波接收前端，每个毫米波接收前端包括毫米波输入端口410、毫米波低噪声放大器420、毫米波混频器430、本振信号驱动放大器440、本振信号驱动放大器450、模数转换器460和数字输出端口470，毫米波输入端口410依次连接毫米波低噪声放大器420、毫米波混频器430，毫米波混频器430还依次连接本振信号驱动放大器450、模数转换器460、数字输出端口470，毫米波混频器430还和本振驱动放大器连接，本振驱动放大器还和第一功分器340连接。

在具体实施过程中，三通道毫米波发射前端380包括三个完全相同的毫米波发射前端，每个毫米波发射前端包括毫米波移相器510、毫米波功率放大器520、毫米波输出端口530，毫米波移相器510和第二功分器370连接，毫米波移相器510还依次和毫米波功率放大器520、毫米波输出端口530连接。

第一本振信号产生及倍频模块产生本振信号，通过第一本振选择模块220、第一本振功分模块240、第一本振输出端口270、本振传输线120、第一本振输出端口211、第二本振选择模块221、第二本振功分模块241分别传输给第一四通道接收模块250、第一三通道发射模块260、第二四通道接收模块251、第二四通道接收模块261。

第一三通道发射模块260和第二四通道接收模块261发射波束，当发射波束遇到障碍物时，经由障碍物反射回来的回波经过第一四通道接收模块250和第二四通道接收模块251接收，接收信号经过混频、滤波放大、模数转换后变成含有障碍物距离、速度、角度信息的数字基带信号。

在上述过程中，本振信号为调频连续波，调频连续波雷达探测障碍物距离分辨率的公式如下：

其中：c表示光速，B表示调频连续波的带宽。由此可知，调频连续波的带宽越大，距离分辨率越高，对于近距离感知传感器，距离分辨率需要达到厘米级。

图2是本发明实施例提供的一种发射信号调频带宽的频谱图。如图2所示，横坐标表示发射频率，纵坐标表示发射信号功率(未校准)。由图2可知，发射信号调频连续波带宽可以达到7.2GHz，根据公式(1)计算距离分辨率可达到2.08厘米，满足近距离传感器需求。

调频连续波雷达若要获得较快的处理速度，每次调频的时间要尽可能短，因此当调频带宽较高时，调频速度越快，调频时间越短。对于近距离典型应用场景下，调频时间应控制在30us以内。

图3是本发明实施例提供的一种发射信号调频频率随时间变化的波形图。如图3所示，横坐标表示时间，纵坐标表示调频频率。由图3可知，发射信号调频速度可以达到300MHz/us以上，当调频带宽为7.2GHz时，调频时间仅需24us，满足近距离传感器需求。

假设一辆汽车的雷达发射截面积是10m²，雷达探测目标距离为R，发射天线增益为20dBi，那么接收信号的功率为：

P_R,dBm≈P_T,dBm-31-40lg R (2)

图4是本发明实施例提供的一种发射信号输出功率随频率变化的曲线图。如图4所示，横坐标是频率，纵坐标是发射功率。由图4可知，本发明实施例在72～81GHz频段内发射功率大于13dBm，可以满足近距离雷达传感器需求。

本发明实施例还提供了一种毫米波雷达，该雷达包括上述毫米波雷达系统。

综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：

本发明实施例通过两颗雷达收发芯片通过本振传输线级联，实现一种六通道发射(6T)/八通道接收(8R)的毫米波雷达收发系统，可用于近场成像、生命体征检测、手势识别等场景，提高了信号吞吐量。利用第一雷达收发芯片上的第一本振产生及倍频模块作为频率源，为两块雷达收发芯片提供本振信号，两颗雷达收发芯片级间本振信号通过本振传输线传输，整个雷达系统实现了宽带调频、高速调频和高功率输出，简化了雷达系统的设计，提高了集成度，降低了雷达系统的成本。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种毫米波雷达收发系统，其特征在于，包括：

第一雷达收发芯片，包括第一本振产生及倍频模块和第一本振输出端口，所述第一本振产生及倍频模块用于产生本振信号；

第二雷达收发芯片，包括第二本振输入端口、第二本振选择模块和第二本振产生及倍频模块，所述第二本振产生及倍频模块关闭且不向片外输出本振信号；

本振传输线，所述本振传输线连接所述第一本振输出端口和所述第二本振输入端口；

所述本振传输线将所述本振信号传输给第二雷达收发芯片，所述第二本振选择模块将所述本振信号传输至片内用于雷达工作；

所述第一雷达收发芯片还包括：

第一本振输入端口、第一本振选择模块、第一本振功分模块、第一四通道接收模块和第一三通道发射模块；正常工作时，所述第一本振产生及倍频模块产生本振信号，经过所述第一本振选择模块选通后传输至所述第一本振功分模块，第一本振功分模块再将信号功分后分别传输至第一四通道接收模块、第一三通道发射模块和第一本振输出端口，第一本振输入端口关闭；

所述第二雷达收发芯片还包括：

第二本振功分模块、第二四通道接收模块、第二三通道发射模块和第二本振输出端口；正常工作时，第二本振输入端口开启，第二本振选择模块选通来自第二本振输入端口的本振信号并传输至第二本振功分模块，第二本振功分模块再将信号功分后分别传输至第二四通道接收模块、第二三通道发射模块，第二本振产生及倍频模块关闭，第二本振输出端口关闭；

所述第一四通道接收模块包括第二倍频器、第一功分器和四通道毫米波接收前端，第二倍频器将来自本振功分模块的38.5GHz频段本振信号倍频到77GHz频段，再经过第一功分器分成四路77GHz频段本振信号给四通道毫米波接收前端；

所述第一三通道发射模块包括第三倍频器、第二功分器和三通道毫米波发射前端，第三倍频器将来自本振功分模块的38.5GHz频段本振信号倍频到77GHz频段，再经过第二功分器分成三路77GHz频段信号给三通道毫米波发射前端；

所述第二雷达收发芯片和所述第一雷达收发芯片结构相同。

2.如权利要求1所述的毫米波雷达收发系统，其特征在于，所述第一本振产生及倍频模块包括频率源和第一倍频器，频率源产生19.25GHz频段本振信号，经第一倍频器后倍频至38.5GHz频段本振信号输出。

3.如权利要求1所述的毫米波雷达收发系统，其特征在于，所述四通道毫米波接收前端包括四个完全相同的毫米波接收前端，每个毫米波接收前端包括毫米波输入端口、毫米波低噪声放大器、毫米波混频器、本振信号驱动放大器、模拟基带电路模块、模数转换器和数字输出端口，所述毫米波输入端口依次连接毫米波低噪声放大器、毫米波混频器，所述毫米波混频器还依次连接模拟基带电路模块、模数转换器、数字输出端口，所述毫米波混频器还和本振驱动放大器连接，所述本振驱动放大器还和第一功分器连接。

4.如权利要求1所述的毫米波雷达收发系统，其特征在于，所述三通道毫米波发射前端包括三个完全相同的毫米波发射前端，每个毫米波发射前端包括毫米波移相器、毫米波功率放大器、毫米波输出端口，所述毫米波移相器和第二功分器连接，所述毫米波移相器还依次和毫米波功率放大器、毫米波输出端口连接。

5.一种毫米波雷达，其特征在于，包括如权利要求1～4任一项所述毫米波雷达收发系统。