一种基于片上定向耦合器的调频连续波雷达

摘要

本发明涉及一种基于片上定向耦合器的调频连续波雷达，包括锁相环、压控振荡器、功率放大器、低噪声放大器、混频器、中频放大器、数字处理模块和天线，所述锁相环的输出端与所述压控振荡器的输入端相连，所述压控振荡器的输出端分别与所述功率放大器的输入端、所述混频器的输入端相连，所述低噪音放大器的输出端与所述混频器的输入端相连，所述混频器的输出端与所述中频放大器的输入端相连，所述中频放大器的输出端与所述数字处理模块的输入端相连，还包括定向耦合器，所述定向耦合器分别与所述功率放大器、所述低噪音放大器及所述天线相连。本发明的雷达结构，具备兼容性高，成本低，可集成度高，适合芯片等特点。

说明书

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，涉及一种调频连续波雷达，具体涉及一种基于片上定向 耦合器的调频连续波雷达。

背景技术

FMCW雷达是调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave)雷达。它是一种通过 检测发射波与回波频移来测量目标距离或速度的雷达系统。相对于测量微波脉冲实现测距功 能的脉冲雷达，FMCW雷达具有较高的测距精度和较高的速度分辨率。由于FMCW雷达结 构易于实现、性能高，它被广泛应用于汽车防撞检测、智能导航、交通监控等领域。

如图1所示(Tessmann,A.；Kudszus,S.；Feltgen,T.；Riessle,M.；Sklarczyk,C.；Haydl,W.H., "Compact single-chip W-band FMCW radar modules for commercial high-resolution sensor  applications,"Microwave Theory and Techniques,IEEE Transactions on,vol.50,no.12, pp.2995,3001,Dec2002)，FMCW雷达的发射机链路将一个被三角或正弦频率调制的信号放 大并通过天线发射出去，信号在遇到检测目标后反射产生回波信号，被天线检测后被接收机 链路放大，与发射机链路此时发射信号的频率进行比较后获得频率偏移，通过频率偏移可以 计算得到检测目标与雷达之间的距离与相对速度。根据雷达方程可以得到FMCW雷达的最大 探测距离由以下公式决定：

$R_{\max }={\left[\frac{P_t{G}_t{G}_r{\lambda }^2\sigma }{{\left(4\sigma \right)}^3{P}_{r,\min }}\right]}^{0.25},$

其中P_t为FMCW雷达发射机的发射功率，G_t和G_r分别为FMCW雷达发射天线与接收天线的 增益，λ为发射信号的波长，σ为检测目标的雷达横截面，？P_r，min为FMCW雷达接收机的灵 敏度。

FMCW雷达主要使用的是单天线结构。单天线FMCW雷达系统的发射机和接收机之间 存在串扰与泄漏信号，该泄漏大信号一方面会引起接收机的阻塞，另一方面泄漏信号也削弱 了接收机链路探测小信号的能力，从而使得FMCW雷达的灵敏度变差，降低了其有效探测距 离。传统的FMCW雷达结构一方面使用较强增益的片外天线来降低对于接收机灵敏度的要 求，例如Jri Lee；Yi-An Li，Meng-Hsiung Hung，Shih-Jou Huang,"A Fully-Integrated77-GHz  FMCW Radar Transceiver in65-nm CMOS Technology,"Solid-State Circuits,IEEE Journal of, vol.45,no.12,pp.2746,2756,Dec.2010中使用片外25dBi的阵列天线来提高雷达探测距离。另 一方面引入环形器(Circulator)等结构来实现接收与发射链路之间的隔离作用，提高灵敏度， 例如Monostatic FMCW radar sensor，US Patent6037894A。传统的环形器由片外元件构成， 存在体积过大、成本高、难以制造、一致性差等缺点。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于片上定向耦合器的调频连续波雷达，其具 备兼容性高，成本低，可集成度高，适合芯片SOC(System On Chip系统芯片集成)等特点。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于片上定向耦合器的调频连续波雷达，包括锁相环、压控振荡器、功率放大器、 低噪声放大器、混频器、中频放大器、数字处理模块和天线，所述锁相环的输出端与所述压 控振荡器的输入端相连，所述压控振荡器的输出端分别与所述功率放大器的输入端、所述混 频器的输入端相连，所述低噪音放大器的输出端与所述混频器的输入端相连，所述混频器的 输出端与所述中频放大器的输入端相连，所述中频放大器的输出端与所述数字处理模块的输 入端相连，还包括定向耦合器，所述定向耦合器分别与所述功率放大器、所述低噪音放大器 及所述天线相连。

进一步地，所述定向耦合器包括上层线圈、下层线圈，所述定向耦合器设置在衬底上， 在所述衬底表面从下往上依次为所述下层线圈、所述上层线圈。所述衬底可以是硅基衬底， 也可以使用在射频集成电路领域中具有优良性能的III-V族工艺，如GaAs等其他工艺的衬底 材料。

进一步地，所述上层线圈包括直通端和输入端，在所述直通端与所述输入端之间设有一 用于频率调谐的可调电容阵列Cp；所述下层线圈包括耦合端和隔离端，在所述耦合端和所述 隔离端之间设有一用于隔离度调谐的可调电容阵列Cs。或者所述上层线圈设置耦合端和隔离 端；所述下层线圈设置直通端和输入端。

进一步地，所述上层线圈的端口与所述下层线圈的端口呈90°。

进一步地，所述定向耦合器的直通端与所述天线相连，所述定向耦合器的输入端与所述 功率放大器的输出端相连，所述定向耦合器的耦合端与所述低噪音放大器的输入端相连，所 述定向耦合器的隔离端与接地电阻相连。

进一步地，所述上层线圈由金属线绕成互不接触的M圈，跨接部分由第M-1层金属连接， 所述下层线圈由金属线绕成N圈，跨接部分由第N+1层金属连接，其中N≥1，M≥N+2。 金属线的材料通常为铜或者铝，具体需要由工艺以及所使用的金属层决定。

进一步地，所述上层金属线圈的间距中心与下层金属线圈的金属线中心重合，上层金属 线圈的金属线中心与下层金属线圈的间距中心重合。

进一步地，所述上层线圈的各圈为正方形、圆形、长方形、八边形中的一种，所述下层 线圈的各圈形状与所述上层线圈的各圈形状相同。

本发明的原理是通过引入片上定向耦合器，使得FMCW雷达的发射机泄漏信号与接收机 之间获得了很高的损耗，同时接收机与天线之间的损耗很小。片上FMCW雷达中，由于发射 机发射信号的能量较高，对接收机的影响较大。引入定向耦合器后，发射机的泄漏信号在定 向耦合器的输入端到耦合端存在一个较大的衰减，例如-50dB，这样发射机泄漏信号到达接收 机输入端时信号能量较低，不会造成影响，同时定向耦合器的直通端和耦合端之间的损耗很 小，例如-10dB，这样天线接收的信号传递到接收机接收端时有用信号的衰减不会很大，不影 响雷达性能。本发明基于片上定向耦合器的FMCW雷达通过上下层线圈结构及Cp/Cs调谐电 容的耦合作用实现了发射机与接收机之间较高的隔离度，避免了接收机受到发射机泄露信号 的影响，提高了接收机的灵敏度性能，从而实现了FMCW雷达有效探测距离的提高。

具体来说，本发明的基于片上定向耦合器的调频连续波雷达，具有以下有益效果

1)兼容性好：与片上工艺完全兼容，本发明所基于的片上定向耦合器由无源器件构成， 适用于多种片上工艺，包括并不限于CMOS、BiCMOS、HBT等工艺。本发明实现建立在片 上工艺实现片上定向耦合器的基础之上，兼容性好。

2)适用性强：通过引入片上工艺制造的片上定向耦合器，在设计过程中，改变上层线圈 和下层线圈的形状、圈数、半径；上层线圈和下层线圈使用的金属层间隔(如选用更底层或 更高层的金属)；上下两线圈间交叠的深度即可改变输入损耗、耦合度、隔离度、定向性的大 小，对于不同要求的系统均可以通过改变上述条件达到要求。

3)调谐性强：引入电容Cp用于频率调谐、电容Cs用于隔离度调谐，避免了由于发射 机输出匹配差、不同输出功率下输出匹配变化、工艺波动、温度变化等带来的非理想效应对 于实际器件工作性能的恶化。因此基于该片上工艺的片上定向耦合器可以实现满足不同应用 场景下的FMCW雷达。

4)体积小，集成度高：由于本发明基于的片上定向耦合器由片上工艺制造，所以相对于 传统分立器件制造的环形器等器件，可以作为一个模块与其他电路与系统集成在单一芯片上， 体积小，成本低，极大的提高了系统的集成度。例如传统FMCW雷达用分立元件构成，片外 的环形器较为笨重，价格昂贵，引入片上定向耦合器后FMCW雷达的体积和成本可以得到极 大的降低。片外定向耦合器，例如在PCB板上实现的的定向耦合器，面积可达到 62.2*32.7mm*mm(一种可能的实现方式，不排除其他可能实现方式)。安捷伦公司官网显示， 其型号为87300B的同轴定向耦合器,工作频率范围在1GHz to20GHz，最低价格为878美 元，折合人民币将近5500元。而本发明的片上定向耦合器集成在几毫米见方的硅片上，重量 可以忽略，其核心部分仅需要0.3*0.3mm*mm。如果使用SMIC0.18um CMOS工艺，流片一 次大约需要20万元人民币，可以获得约100片5*5mm*mm尺寸的芯片，这样估算，一片集 成在芯片上的定向耦合器约需要7.2元人民币。

5)片上耦合器可以实现较高的片上发射机与接收机隔离度，对提高接收机的灵敏度有较 大好处，可以很好的实现雷达探测距离的提高。

附图说明

图1为传统的调频连续波雷达的结构图；

图2为基于片上定向耦合器的调频连续波雷达结构图；

图3为片上定向耦合器俯视图；

图4为图3截面1的剖面图；

图5为片上定向耦合器在调频连续波雷达中的连接示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清楚，下面结合附图详细描述。

实施例1

如图2所示在IBM8HP0.13um SiGe工艺下实现一种基于片上定向耦合器的调频连续波 雷达，包括锁相环、压控振荡器、功率放大器、低噪声放大器、混频器、中频放大器、数字 处理模块和天线，锁相环的输出端与压控振荡器的输入端相连，压控振荡器的输出端分别与 功率放大器的输入端、混频器的输入端相连，低噪音放大器的输出端与混频器的输入端相连， 混频器的输出端与中频放大器的输入端相连，中频放大器的输出端与数字处理模块的输入端 相连，片上定向耦合器(Coupler)分别与功率放大器、低噪音放大器及天线相连。

图3所示为片上定向耦合器的线圈结构图，定向耦合器包括上层线圈、下层线圈，上层 线圈包括直通端和输入端，下层线圈包括耦合端和隔离端。上层线圈与下层线圈都是正方形 线圈。

上层线圈由金属线绕成互补接触的9圈，跨接部分由第8圈金属实现，在直通端与所述 输入端之间设有一用于频率调谐的可调电容阵列Cp；下层线圈由金属线绕成互不接触的7层， 跨接部分由第8层线圈连接，在耦合端和隔离端之间设有一用于隔离度调谐的可调电容阵列 Cs。上层线圈的直通端和输入端、下层线圈的隔离端和耦合端呈90°。

如图4所示，为图3中截面1的示意图，定向耦合器设置在硅基衬底上，硅基衬底由硅 半导体材料制成，在衬底表面从下往上依次为下层线圈、上层线圈。上层金属的线宽W是 10μm、金属线之间的间距S是2μm、上层线圈与下层线圈线圈重合部分(交叠部分)O的 长度是4μm(当然，根据设计需要上下层线圈可以全部交叠或者全部不交叠)、上层金属线 圈的间距中心与下层金属线圈的金属中心重合，上层金属线圈的金属中心与下层金属线圈的 间距中心重合。

如图5所示，定向耦合器的直通端与天线相连，定向耦合器的输入端与功率放大器(发 射机的一种)的输出端相连，定向耦合器的耦合端与低噪音放大器(接收机的一种)的输入 端相连，定向耦合器的隔离端与接地电阻相连。

实施例2

与实施例1大致相同，区别在于：上层线圈和下层线圈都是圆形。

实施例3

与实施例1大致相同，区别在于：上层线圈和下层线圈都是八边形。

以上通过详细实施案例描述了本发明的新型的基于片上定向耦合器的调频连续波雷达， 本领域的研究人员和技术人员可以根据上述的步骤作出形式或内容方面的非实质性的改变而 不偏离本发明实质保护的范围。因此，本发明不局限于以上实施例中所公开的内容，本发明 的保护范围应以权利要求所述为准。