用于毫米波应用的相控阵天线校准系统和方法与流程

用于毫米波应用的相控阵天线校准系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年7月16日提交的题为“用于毫米波应用的相控阵天线校准系统和方法”的美国临时专利申请62/874,904号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。


背景技术：

3.相控阵天线通过组合来自多个天线元件的信号并控制每个元件的相位和幅度来形成辐射图案。天线或辐射元件被布置成阵列或子阵列，并且通常包括贴片天线配置中的贴片、偶极子或磁环等。可以通过使用连接到每个元件的移相器来固定或调整每个辐射元件之间的相对相位。通过改变各个元件的相位来控制天线产生的波束的方向。连接在辐射元件和移相器之间的放大器提供对辐射波束的幅度控制。对幅度和相位的精确控制能力取决于天线元件、移相器和放大器的有效校准，以补偿由于制造、硬件问题、温度、环境和其他影响造成的任何变化和信号扰动。
4.天线校准包括确定天线在不同操作参数和条件下的近场和远场辐射图案。近场辐射图案是在直接围绕天线的区域中发射的图案，并且距离在一个波长或更短的距离内。任何超出近场的区域都被视为远场。远场辐射图案取决于到天线的距离。可以通过各种测量系统和校准探头来执行传统的近场和远场校准，这些测量系统和校准探头是市售的，适用于不同的场景、应用和某些频段。需要校准相控阵天线中的每个元件，以校正相位和幅度的变化。在超过70ghz的毫米波应用中，相控阵天线的校准尤其具有挑战性。
附图说明
5.联系以下结合附图来理解的详细描述，可以更充分地理解本技术，附图不是按比例绘制的，其中相似的附图标记始终指代相似的部分，附图中：
6.图1图示了根据各种示例的用于毫米波应用的相控阵校准系统的示意图；
7.图2图示了在如图1中实施的探头层中使用的示例馈电网络；
8.图3更详细地图示了用于毫米波应用的示例接收被测天线(“aut”)；
9.图4图示了根据各种示例的波束控制雷达系统的示意图；
10.图5是根据各种示例的用于校准接收aut的流程图；并且
11.图6是根据各种示例的用于校准发送aut的流程图。
具体实施方式
12.公开了用于毫米波应用的相控阵天线校准系统和方法。校准系统被设计为校准被测天线中的每个单独的元件。在各种示例中，校准系统包括放置在aut上方的校准探头层，该层与aut之间存在泡沫层。rf探头通过馈电网络连接到探头层中的所有元件。校准探头层实际上是一种天线，该天线具有以一一对应的方式直接定位在aut元件上方的元件。rf探头可以向/从所有aut元件发送/接收rf信号，以校准接收/发送相控阵。连接到校准系统的后处理模块在校准期间描述aut的性能(可以逐个元件地执行)。
13.以下阐述的详细描述意在作为对主题技术的各种配置的描述，而不意在代表可以实施本公开的主题技术的唯一配置。附图被并入本文并构成详细描述的一部分。为了提供对本公开的主题技术的更透彻的理解，详细描述包括具体细节。然而，主题技术不限于本文阐述的具体细节，并且可以使用一个或多个实施方式来实践主题技术。在一个或多个实例中，以框图形式示出了结构和组件，以避免模糊主题技术的概念。在其他实例中，可能不会详细描述众所周知的方法和结构，以避免不必要地模糊示例的描述。另外，示例可以被相互组合地使用。
14.图1图示了根据各种示例的、用于毫米波应用中的相控阵校准系统的示意图。校准系统100具有放置在aut 104上方的校准探头层102，该校准探头层102与aut 104之间有泡沫层106。aut 104是具有辐射元件(诸如aut元件108)阵列的贴片天线。校准探头层102被设计为使它包含与aut 104中的辐射元件一一对应的探头元件阵列。在一些实施方式中，探头元件阵列可以与aut 104中的辐射元件具有1
×
n的对应关系，其中，一个探头元件可以对应于n个辐射元件。在其他实施方式中，aut 104中的辐射元件可以与探头元件阵列具有1
×
n的对应关系，其中，aut 104中的辐射元件可以对应于n个探头元件。校准探头层102中的每个探头元件具有与其在aut 104中的对应的辐射元件相同的尺寸和配置(例如，探头元件110和aut元件108)。在一些实施方式中，校准探头层102中的一个或多个探头元件可以具有与其在aut 104中的对应辐射元件不同的尺寸和/或配置。校准探头层102实际上是具有贴片元件的贴片天线，贴片元件直接定位在aut 104中的辐射元件的上方。
15.aut 104可以是发送和/或接收天线。rf探头112可以发送和接收rf信号，以校准aut 104。通过使rf探头112经由馈电网络向探头层102中的所有探头元件发送rf信号，来执行针对接收aut的校准，如图中2所更详细图示的。在一些方面，rf信号可以包括正交特性，以提高rf信号的校准性能。每个探头元件接收来自rf探头112的信号，并且接收到的信号被辐射到其对应的aut元件。aut 104被连接到多个有源元件114，这些有源元件114可以包括功率放大器(“pa”)、低噪声放大器(“lna”)、移相器(“ps”)和/或开关。有源元件114由校准控制模块116控制，校准控制模块116可以激活一个或多个有源元件114，以校准对应的aut元件。在一些方面，探头元件可以包括无源组件(例如，电感、电容、电阻特性)。在其他方面，探头元件可以包括有源组件。例如，探头元件可以耦合到有源元件，例如功率放大器、低噪声放大器、开关、混频器和/或移相器，以提高使用探头元件发送或接收的rf信令的校准性能和信号质量。
16.在一个示例中，每次激活有源元件114中的单一移相器，以校准连接到该移相器的aut元件，并补偿任何相位失配。通过激活连接到aut元件的pa/lna，也可以进行幅度校准。未激活的元件与收发器129断开，并匹配到正确的端接。在其他示例中，可以在相位校准期间激活多个移相器，并且可以在幅度校准期间激活多个pa/lna。组合网络118将来自活动aut元件的信号引导进入收发器120。后处理模块122处理校准信号，以测量从每个aut元件接收到的辐射图案，减少来自相邻aut元件的泄漏，并确定已校准aut元件的操作特性。
17.相反，通过使收发器120经由馈电网络118将rf信号发送到aut 104中的经激活aut元件，以辐射到其在探头层102中所对应的探头元件中，来执行针对发送aut的校准。然后，rf探头112经由馈电网络接收来自所有探头元件的组合信号，馈电网络也用作组合网络。由后处理模块124分析组合信号，以确定aut 104中被激活的aut元件的操作特性。在各种示例
中，后处理模块122和124可以是同一个后处理模块或单独的后处理模块。
18.注意，校准系统100操作以用于分析由aut接收和发送的远场辐射图案。泡沫层106的厚度约为一个波长，针对汽车工业中的、用于雷达应用的毫米波频率，该波长约为3-4mm。校准系统100通过具备每个aut元件和每个探头元件之间一一对应的关系(在对于单个元件的远场测量足够近的距离内)来工作。
19.图2图示了在如图1中实现的探头层中使用的示例馈电网络。校准探头层200中的馈电网络层202提供共同馈电，该共同馈电将接收自rf探头(例如，图1中的rf探头112)的、用于传播的rf信号分配到探头元件(例如，探头元件204)。在图示示例中，馈电网络层202是一种功率分配器电路，使得它收取输入信号，并通过路径或传输线网络将其均匀地分配。每条路径可能具有相似的尺寸；然而，路径的大小可以被配置为实现期望的传输和/或辐射结果。每条传输线是馈电网络202中的一条路径，馈电网络202被示为具有4个级别，其中，馈电网络202在每一个级别中将其路径加倍：级别0具有1条路径，级别1具有2条路径，级别2具有4条路径，级别3具有8条路径，并且级别4具有16条路径。馈电网络202被设计为与阻抗匹配，使得传输线的每一端的阻抗与线路的特征阻抗相匹配。
20.请注意，馈电网络层中的级别4的传输线的每一端都通向探头元件(例如，探头元件(“pe”)204)。在所示示例中，有16个pe，对应于具有16根传输线的馈电网络中的4个级别。探头校准层200形成在衬底中(例如，rogers材料)，衬底具有适用于毫米波频率的特定参数(例如，低介电损耗等)。例如，rogers clte-at产品表现出跨温度的热稳定性和相位稳定性，并且可以用于汽车雷达和微波应用。还要注意，在其他示例中，馈电网络202可以作为组合网络操作，以在aut是发送天线的情况下从探头元件接收信号。
21.现在关注图3，该图更详细地示出了用于毫米应用的示例接收aut。接收天线300具有若干个为来自目标的信号或反射创建接收路径的辐射元件302。在各种实施方式中，辐射元件302是阵列配置中(例如，在具有48个元件的天线中)的元结构或贴片。相位和放大模块304提供相移，以在时间上对齐信号。辐射元件302连接到组合网络306以及相位和放大模块304(包括移相器和lna)。在本图示中，天线300被用在汽车雷达中，以接收来自物体(例如，其他车辆、行人、路标等)的反射。
22.图4图示了根据各种示例的波束控制雷达系统的示意图。波束控制雷达400是具有真正的3d视觉的“数字眼睛”，并且能够对世界进行类人解释。由两个主要模块提供“数字眼睛”和类人解释能力：雷达模块402和感知引擎404。雷达模块402能够在视场(“fov”)内发送rf信号，并在所发送的信号反射离开fov中的物体时接收该信号的反射。通过在雷达模块402中使用模拟波束成形，可以有效地使用单个发送和接收链来形成定向的、并且可操纵的波束。调整雷达模块402中的收发器406，以生成用于通过一系列发送天线408发送的信号，以及管理通过一系列接收天线410-414接收的信号。分别通过连接到发送链上的发送天线408的移相器(“ps”)电路416-418和连接到接收链上的接收天线410-414的ps电路420-424来实现对fov内的波束的控制。在不同的操作条件下，可以用图1的校准系统100来执行对发送天线408和接收天线410-414的仔细校准。
23.使用ps电路416-418和420-424，以能够单独控制发送和接收天线中每个元件的相位。与早期的无源架构不同的是，使用有源波束成形天线，波束不是仅可以转向离散角度，而是可以转向fov内的任何角度(即，从0
°
到360
°
)。多元件天线可以与模拟波束成形架构一
起使用，其中，可以在单个发送或接收链的端口处组合或划分单个天线元件，而无需额外的硬件组件或针对每个天线元件的单独数字处理。此外，多单元天线的灵活性允许窄波束宽度用于发送和接收。天线波束宽度随着天线元件数量的增加而减小。窄波束改善了天线的方向性，并为雷达400提供了大大延长的检测范围。
24.实施模拟波束控制的主要挑战是设计在77ghz运行的ps。ps电路416-418和420-424利用反射ps设计解决了这个问题，目前使用gaas材料构建的分布式变容器(varactor)网络来实现该反射ps设计。每个ps电路416-418和420-424具有一系列ps，每个ps连接到天线元件，以生成针对由天线元件发送或接收的信号的任何相移值(从0
°
到360
°
)。在未来的实施方式中，ps设计可扩展到硅锗(sige)和互补金属氧化物半导体(cmos)，从而降低了ps成本，以满足客户应用的特定需求。每个ps电路416-418和420-424由现场可编程门阵列(“fpga”)426控制，现场可编程门阵列426向每个ps电路中的ps提供一系列电压，从而导致一系列相移。
25.在各种示例中，将电压值施加到ps电路416-418和420-424中的每个ps以产生给定的相移并提供波束控制。施加到ps电路416-418和420-424中的ps的电压被存储在fpga 406中的查找表(“lut”)中。这些lut由天线校准过程生成，该过程确定将哪些电压应用于每个ps，以在每个操作条件下生成给定的相移。请注意，ps电路416-418和420-424中的ps能够以小于1度的非常高分辨率产生相移。这种对相位的增强控制允许雷达模块402中的发送和接收天线以非常小的步长控制波束，从而提高雷达400以小角分辨率分辨临近目标的能力。
26.在各种示例中，发送天线408和接收天线410-414可以是元结构天线、相控阵天线或者能够以毫米波频率辐射rf信号的任何其他天线。一般而言，本文所定义的元结构是能够基于其几何形状在预期的方向上控制和操纵入射辐射的工程结构。天线408-414的各种配置、形状、设计和尺寸可以被用于实现特定设计并满足特定约束，例如图3中所示的天线300。
27.雷达400中的发送链开始于：收发器406产生rf信号，以准备通过发送天线408进行空中发送。rf信号可以是例如调频连续波(“fmcw”)信号。fmcw信号使雷达400能够通过测量发送信号与接收/反射信号或回波之间的相位或频率差异来确定到物体的距离和物体的速度两者。在fmcw格式中，可以使用多种波形图案，包括正弦波、三角波、锯齿波、矩形波等，每一种都有优点和用途。
28.一旦收发器406生成fmcw信号，这些fmcw信号就被提供给功率放大器(“pa”)428-432。需要将fmcw信号进行信号放大，才能达到物体检测所预期的长距离，因为当信号通过发送天线408辐射时，信号会衰减。来自pa 428-432的信号通过馈电网络434-436进行划分和分配，馈电网络434-436形成功率分配器系统以将输入信号划分为多个信号，给发送天线408中的每个元件一个信号。馈电网络434-436可以划分信号，使得功率在它们之间平均分配，或者可替代地，使得根据另一方案分配功率，其中，被划分的信号并不都接收相同的功率。来自馈电网络434-436的每个信号随后被输入到ps电路416-418中的一个ps，基于fpga 426产生的电压，在微控制器438的指导下，信号进行相移，然后通过发送天线408发送。
29.根据基于道路和环境场景的预期扫描模式，微控制器438确定将哪些相移应用于ps电路416-418中的ps。微控制器438还为收发器确定扫描参数，以在其下一次扫描中应用。可以按照多个处理引擎450中的一个的指导(例如，按照感知引擎404的指导)确定扫描参
数。根据检测到的物体，感知引擎404可以指示微控制器438在下一次扫描中调整扫描参数，以聚焦于fov的给定区域，或者将波束转向不同的方向。
30.在各种示例中，并且如下文中更详细描述的，雷达400以各种模式中的一个模式操作，这些模式包括全扫描模式和选择性扫描模式等。在全扫描模式中，发送天线408和接收天线410-414两者都以小的增量步长扫描完整的fov。即使由于作为转向角函数的旁瓣增加，fov可能受到系统参数的限制，但雷达400仍能够针对远距离雷达检测重要区域上的物体。根据驾驶环境，视轴两侧扫描的角度范围以及转向角/相移之间的步长可能动态变化。为了提高在城市环境中行驶的自动驾驶汽车(例如，自主汽车)的性能，可以增加扫描范围，以持续监视十字路口和路边来检测车辆、行人或骑自行车的人。这种宽扫描范围可能会使得帧速率(重访率)退化，但被认为是可以接受的(因为城市环境通常涉及低速驾驶场景)。针对高速公路场景，帧速率至关重要，可以通过减小扫描范围来保持较高的帧速率。在这种情况下，在视轴两侧进行几度的波束扫描将满足远程目标的检测和跟踪的需求。
31.在选择性扫描模式中，雷达400通过转向预期的角度，然后围绕该角度扫描，来围绕感兴趣的区域进行扫描。这确保了雷达400将检测感兴趣的区域中的物体，而不会浪费任何处理或扫描周期来照射没有有效物体的区域。由于雷达400能够检测远距离的物体，例如在视轴上的300m或更远，如果道路中有弯道，直接测量不会提供有用的信息。相反，雷达400沿着道路的曲率转向，并将其波束对准感兴趣的区域。在各种示例中，可以通过改变由收发器406生成的fmcw信号的啁啾斜率，以及通过将发送信号的相位移动到覆盖道路曲率所需的转向角来实现选择性扫描模式。
32.用雷达400、通过在一系列由ps电路420-424引导的接收天线410-414处接收到的反射或者回波来检测物体。低噪声放大器(“lna”)位于接收天线410-414和ps电路420-424之间，ps电路420-424包括类似于ps电路416-418中的ps的ps。针对接收操作，ps电路410-424在接收天线410-414中的辐射元件之间产生相位差，以补偿由于空间配置导致的辐射元件之间的接收信号的时间延迟。接收相移(也称为模拟波束成形)组合接收到的信号，以对齐回波来识别检测到的物体的地点或位置。也就是说，相移将在不同时间到达接收天线410-414中的每个辐射元件的接收信号进行对齐。与发送链上的ps电路416-418类似，ps电路420-424由fpga 426控制，fpga 426向每个ps提供电压，以产生所预期的相移。fpga 426还向lna 438-442提供偏置电压。
33.然后，接收链在组合网络444处组合在接收天线412处接收到的信号，组合信号从组合网络444传播到收发器406。请注意，如图所示，组合网络444生成两个组合信号446-448，每个信号组合来自接收天线412中的多个元件的信号。在一个示例中，接收天线412包括48个辐射元件，并且每个组合信号446-448组合由48个元件中的24个元件所接收到的信号。其他示例可以包括8、16、24、32等等，这取决于预期的配置。天线元件数目越多，波束宽度越窄。
34.还请注意，在接收天线410和414处接收到的信号直接从ps电路420和424到收发器406。接收天线410和414是产生与由具有48个元件的接收天线412所接收到的主波束分开的辐射图案的防护天线。实施防护天线410和414，以有效地消除来自物体的旁瓣返回。目的是使防护天线410和414提供高于旁瓣的增益，并且因此能够消除它们或显著减少它们的存在。防护天线410和414有效地充当旁瓣滤波器。
35.一旦经接收的信号被收发器406接收到，它们就由处理引擎450处理。处理引擎450包括感知引擎404，该感知引擎404用神经网络和人工智能技术检测和识别接收到的信号中的物体，用数据库452存储针对雷达400的历史和其他信息，并且用具有模数转换器(“adc”)模块的数字信号处理(“dsp”)引擎454将来自收发器406的模拟信号转换成数字信号，该数字信号可以被处理以确定到达角和其他针对感知引擎404对物体的检测和识别的有价值的信息。在一个或多个实施方式中，dsp引擎454可以与微控制器438或收发器406集成。
36.雷达400还包括图形用户界面(“gui”)458，以能够配置扫描参数，例如根据预期的定义fov的扫描区域的总角度、波束宽度或每个增量发送波束的扫描角度、在雷达信号中的啁啾的数量、啁啾时间、啁啾斜率、啁啾片段时间等。此外，雷达400具有温度传感器460，用于感测车辆周围的温度，从而可以使用来自fpga 426的适当电压来产生预期的相移。在不同操作条件(包括温度条件)下、在天线校准期间确定存储在fpga 426中的电压。数据库462也可以在雷达400中用于存储雷达和其他有用数据。
37.图5是根据各种示例的、校准接收aut的流程图。首先，经由探头层中的馈电网络，rf信号从rf探头(例如，图1的探头112)被发送到探头层(例如，探头层104)中的探头元件(500)。探头元件辐射rf信号，并且被辐射的信号在aut的aut元件处被接收(502)。校准控制模块116激活连接到一个或多个aut元件的一个或多个有源元件(例如，lna和/或ps)(504)。然后在收发器处通过馈电/组合网络接收在被激活的aut元件处所接收的信号(506)。最后，该信号由后处理模块处理，以确定被激活的aut元件的操作特性(508)。在各种示例中，后处理模块抑制与正在被校准的给定aut元件相邻的aut元件的贡献。然后存储给定aut元件的操作特性，以便可以在aut在毫米波应用中操作期间，对aut进行任何调整。请注意，针对每个aut元件，并且针对aut要实现的预期的相位和幅度分布，都会重复此校准过程。
38.图6是根据各种示例的、用于校准发送aut的流程图。首先，经由连接于aut的馈电网络，rf信号从收发器被发送到aut中的被激活的aut元件(600)。可以由图1的校准控制模块116一次激活一个或多个aut元件。被激活的aut元件将信号辐射到探头层处的探头元件(602)。然后在探头层中的馈电/组合网络处组合在探头元件处接收到的rf信号，并且在rf探头处接收经组合的信号(604)。最后，对组合信号执行信号后处理，以确定每个aut元件的操作特性。本文所公开的校准系统能够利用简单且易于制造的探头层有效地校准针对毫米波应用的远场中的aut。
39.应当理解，提供先前对所公开的示例的描述是为了使得本领域的任何技术人员能够制造或使用本公开。对这些示例的各种修改对于本领域技术人员而言是显而易见的，并且本文定义的通用原理可被应用于其他示例，而不脱离本公开的精神或范围。从而，本公开并不打算被限于本文示出的示例，而是应符合与本文公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。
40.就本文使用的而言，在一系列项目前面的短语
“……
中的至少一者”——其中用术语“和”或“或”来分隔任何项目——修饰整个列表，而不是列表的每个成员(即，每个项目)。短语
“……
中的至少一者”不要求选择至少一个项目；相反，该短语允许包括任何项目中的至少一者、和/或项目的任何组合中的至少一者、和/或每个项目中的至少一者的含义。举例而言，短语“a、b和c中的至少一者”或者“a、b或c中的至少一者”分别指的是只有a、只有b或者只有c；a、b和c的任何组合；和/或a、b和c中的每一者的至少一者。
41.此外，当在说明书或权利要求中使用术语“包含”、“具有”之类时，这样的术语打算是包含性的，类似于术语“包括”，就像“包括”在权利要求中被用作过渡性词语时被解释的那样。
42.除非特别声明，否则以单数形式提及一元素并不打算意指“一个且只有一个”，而是“一个或多个”。术语“一些”是指一个或多个。带下划线和/或斜体的标题和副标题只是为了方便而使用的，不对主题技术进行限制，并且不是联系对主题技术的描述的解释来提及的。本领域普通技术人员已知的或者以后得知的本公开各处描述的各种配置的元素的所有结构和功能等同物，在此被通过引用明确并入，并且打算被主题技术所包含。此外，本文公开的任何内容都不打算被奉献给公众，无论这种公开是否在上述描述中被明确提及。
43.虽然本说明书包含许多具体细节，但这些细节不应被解释为对可请求保护的范围的限制，而是应被解释为对本主题的特定实施方式的描述。本说明书中在分开的实施例的上下文中描述的某些特征也可在单个实施例中被组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可被分开地或者按任何适当的子组合在多个实施例中实现。此外，虽然以上可将特征描述为按某些组合来动作，或者甚至最初权利要求是这样记载的，但来自要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可被从该组合中删去，并且要求保护的组合可指向子组合或子组合的变体。
44.已就特定方面描述了本说明书的主题，但其他方面也可被实现，并且在所附权利要求的范围内。例如，虽然在附图中是按特定顺序描绘操作的，但这不应当被理解为，为了实现期望的结果，要求按所示出的特定顺序或按先后顺序执行这种操作，或者要求执行所有图示出的操作。权利要求中记载的动作可按不同的顺序被执行，而仍实现期望的结果。作为一个示例，附图中描绘的过程要实现期望的结果并非必然要求所示出的特定顺序或者先后顺序。此外，在以上描述的方面中各种系统组件的分离不应当被理解为在所有方面中都要求这种分离，并且应当理解，所描述的程序组件和系统一般可被一起集成在单个硬件产品中或者被封装到多个硬件产品中。其他变化在所附权利要求的范围内。