[发明专利]一种基于片上定向耦合器的调频连续波雷达

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：

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。