具有频率转换的雷达系统和对应的方法与流程

背景技术：

本公开整体涉及具有频率转换的雷达系统和对应的方法。雷达探测系统发射无线电波，无线电波从地形的各种物体和部分反射出来。当辐射返回到雷达系统时，获得关于物体的各种信息，诸如距离、方向和速度。汽车装置可将雷达用于多种目的，包括但不限于自适应巡航控制、车道变更辅助和自动制动。

技术实现要素：

本文公开了一种具有频率转换的雷达系统和一种控制雷达系统的对应方法。该雷达系统包括被配置为生成处于第一频率的输入信号的至少一个信号发生器。该系统包括被配置为从信号发生器接收输入信号的发射插入件，以及被配置为向信号发生器发射输出信号的接收插入件。发射插入件包括发射前端模块，该发射前端模块被配置为将处于第一频率的输入信号升频转换为处于第二频率的出射雷达信号，该第二频率大于该第一频率。该发射插入件包括发射天线模块，该发射天线模块具有被配置为辐射出射雷达信号的多个发射贴片。

该接收插入件包括接收天线模块，该接收天线模块具有被配置为捕获处于第二频率的入射雷达信号的多个接收贴片；以及接收前端模块，该接收前端模块被配置为将处于第二频率的入射雷达信号降频转换为处于第一频率的输出信号。在一个示例中，第一频率在20ghz与100ghz之间，并且第二频率在70ghz与300ghz之间。在另一个示例中，第一频率在70ghz与80ghz之间，并且第二频率在210ghz与240ghz之间。第二频率可为第一频率的整数倍数。

发射前端模块可包括被配置为产生第一本地频率的第一本地振荡器。第一混频器可被配置为产生和频和差频。在一个示例中，第一混频器是谐波混频器，该谐波混频器被配置为产生处于第一本地频率和输入信号的第一频率中的至少一个的谐波倍数的和频和差频。第一滤波器可被配置为移除和频和差频中的至少一个。接收前端模块可包括被配置为产生第二本地频率的第二本地振荡器。第二混频器可被配置为从第二本地频率和入射雷达信号的第二频率产生和频和差频。第二滤波器可被配置为移除和频和差频中的至少一个。

基板可包括被配置为在至少射频范围内具有发射能力的基层，以及与该基层共同延伸的基地层。该发射插入件可包括发射衬底和与该发射衬底共同延伸的发射地层、与该发射地层相邻的电介质层，以及与该电介质层相邻的馈线。多个互连件(包括但不限于导电柱、焊料球和凸块)可被配置为操作地连接发射插入件和基板。该多个互连件可被配置为直接地连接发射地层和基地层。该发射天线模块的多个发射贴片可定位在至少一个发射插入件的第一侧面上，并且发射前端模块可定位在至少一个发射插入件的第二侧面上。该发射地层可包括耦接到多个发射贴片中的相应的一个发射贴片的相应的孔。

该信号发生器可定位在发射插入件和接收插入件之间。该接收插入件可包括接收衬底、与接收衬底共同延伸的接收地层和与接收地层相邻的电介质层。该接收天线模块的多个接收贴片可定位在接收插入件的第一侧面上，并且接收前端模块可定位在至少一个接收插入件的第二侧面上。该接收地层可包括耦接到多个接收贴片中的相应的一个接收贴片的相应的孔。

在另一个实施方案中，雷达系统包括基板，该基板具有操作地连接到该基板的多个信号发生器。这些信号发生器被配置为生成处于第一频率的相应的输入信号。多个发射插入件操作地连接到基板并且被配置为接收相应的输入信号。多个发射插入件各自包括多个相应的发射前端模块，该多个相应的发射前端模块被配置为将处于第一频率的相应的输入信号升频转换为处于第二频率的相应的出射雷达信号。

另外，多个发射插入件各自包括多个相应的发射天线模块，该多个相应的发射天线模块具有被配置为辐射处于第二频率的相应的出射雷达信号的相应的多个发射贴片。单个接收插入件操作地连接到基板并且被配置为向多个信号发生器发射相应的输出信号。单个接收插入件包括多个接收天线模块，该多个接收天线模块具有被配置为捕获处于第二频率的相应的入射雷达信号的相应的多个接收贴片；以及单个接收前端模块，该单个接收前端模块被配置为将处于第二频率的相应的入射雷达信号降频转换为处于第一频率的相应的输出信号。

从结合附图对用于实现本公开的最佳方式的以下详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其它特征和优点是显而易见的。

附图说明

图1为根据第一实施方案的具有可安装在装置上的雷达模块的示例性雷达系统的示意性俯视图；

图2为穿过图1的雷达模块的轴线2-2的示意性片段性局部剖视图；

图3为在图1的雷达模块中可采用的接收前端模块的示例性配置的示意图；

图4为在图1的雷达模块中可采用的发射前端模块的示例性配置的示意图；以及

图5为根据第二实施方案的可安装在图1的装置上的另一个示例性雷达模块的示意性俯视图。

具体实施方式

参考附图，其中类似附图标号代表类似部件，图1示意性地示出了具有可安装在装置14上的雷达模块12的雷达系统10。根据当前应用，雷达模块12可附接、嵌入或以其它方式连接到装置14的正面、背面、侧面或其它合适的部分。装置14可为移动平台，诸如但不限于标准客车、运动型多用途车、轻型卡车、重型车辆、全地形车(atv)、小型货车、公共汽车、转运车辆、自行车、机器人、农具、运动相关装备、船、飞机、火车或其它运输装置。装置14可采取许多不同形式并且包括多个和/或替换部件和设施。

参考图1，控制器c可与雷达模块12连通。控制器c包括至少一个处理器p和至少一个存储器m(或非暂态性、有形计算机可读存储介质)，在存储器m上，可记录用于执行各种程序的指令。存储器m可存储控制器可执行指令集，并且处理器p可执行存储在存储器m中的控制器可执行指令集。控制器c可嵌入或以其它方式与雷达模块12集成。另选地，控制器c可为与雷达模块12分开的单元。如下所述，雷达系统10使得能够以低成本有效地制造的结构实现相对较高的工作频率(诸如高于100hz的频率)。

图2为穿过雷达模块12的轴线2-2的示意性片段性局部剖视图。参考图2，雷达模块12包括基板16(也在图1中示出)，该基板具有基层18和地层20。在一个示例中，基层18为在至少射频范围内具有发射能力的印刷电路板(pcb)。参考图1和图2，至少一个信号发生器22(“至少一个”此后省略)被配置为生成处于第一频率的输入信号i(见图1)。信号发生器22的数量和尺寸可基于当前应用而改变。参考图2，信号发生器22可通过导电介质(诸如焊料球24)连接到基板16。信号发生器22可为单片集成调频连续波(fmcw)收发器。在非限制性示例中，信号发生器22可被配置用于在76ghz至81ghz频带内的操作。

参考图1和图2，雷达模块12包括至少一个发射插入件26和操作地连接到基板16的至少一个接收插入件28。参考图1，发射插入件26被配置为从信号发生器22接收输入信号i，并且接收插入件28被配置为向信号发生器22发射输出信号o。发射插入件26被配置为辐射出射雷达信号(图1中的“or”)，该出射雷达信号从目标反射并作为被接收插入件28捕获的入射雷达信号(图1中的“ir”)返回。出射雷达信号or可为在短持续时间内线性增大的频率变化，该频率变化可以特定模式重复。通过将发射插入件26和接收插入件28分开，电磁耦合被最小化，从而显著改善雷达系统10的发射与接收隔离。控制器c可被配置为控制信号发生器22、发射插入件26和接收插入件28的操作。

参考图1和图2，发射插入件26包括至少一个发射前端模块30，该至少一个发射前端模块30被配置为将处于第一频率的输入信号i升频转换为处于第二频率的出射雷达信号or。第二频率可为第一频率的倍数。在一个示例中，第一频率在20ghz与100ghz之间，并且第二频率在70ghz与300ghz之间。在另一个示例中，第一频率在70ghz与80ghz之间，并且第二频率在210ghz与240ghz之间。在另一个示例中，第一频率为约77ghz，并且第二频率为约234ghz。第二频率可乘以乘法因子大于第一频率。

参考图1，发射前端模块30与发射天线模块32连通，该发射天线模块32具有被配置为辐射出射雷达信号or的多个发射贴片33。在所示的实施方案中，有两个另外的发射前端模块，每个发射前端模块与相应的发射天线模块连通。参考图1，第二发射前端模块36通过第二馈线40与第二发射天线模块38连通，该第二发射天线模块38具有相应的多个发射贴片39(一个在图2中以截面图形式示出)。第三发射前端模块42通过第三馈线46与第三发射天线模块44连通，该第三发射天线模块44具有相应的多个发射贴片45。如下所述，相应的发射天线模块32、38、44被配置为被相应的馈线34、40、46激发。发射前端模块和相应的发射贴片的数量可基于当前应用而改变。在图1所示的实施方案中，发射前端模块30、36、42中的每个承载相应的信号发射信道，每个信道被定位在单个发射插入件26上。

参考图1，接收插入件28包括与一个或多个接收天线模块(诸如第一接收天线模块52、第二接收天线模块56、第三接收天线模块60和第四接收天线模块64)连通的接收前端模块50。换句话讲，接收前端模块50连接到多个接收天线模块。参考图1，第一接收天线模块52、第二接收天线模块56、第三接收天线模块60、第四接收天线模块64包括相应的多个接收贴片53、57、61、65，这些接收贴片被配置为捕获处于第二频率的入射雷达信号ir。接收天线模块和接收贴片的数量可基于当前应用而改变。在所示的示例中，具有四个接收天线模块，每个接收天线模块具有四个接收贴片，从而提供总共16个接收信道。可选择每接收插入件不同数量的信道以提高产出。在一个示例中，接收前端模块50被配置为接收处于或高于100ghz的能量。

参考图1，接收前端模块50被配置为将处于第二频率的入射雷达信号ir降频转换为处于第一频率的输出信号o。第一接收天线模块52、第二接收天线模块56、第三接收天线模块60、第四接收天线模块64通过相应的第一馈线54、第二馈线58、第三馈线62和第四馈线66连接到接收前端模块50的输入端口(未示出)。参考图1，在仰角平面中(图1中的x轴)多个接收贴片53、57、61、65可以大约半个(第二频率的)波长间隔开，以产生定向性仰角射束(directiveelevationbeam)。就标度而言，234ghz的半波长为大约0.6mm。多个接收贴片53、57、61、65可在方位角平面中(图1中的y轴)以大约半个(第二频率的)波长间隔开。间隔可根据当前应用而改变。在发射侧，发射贴片元件33、39、45可以超过半个波长间隔开以增加角分辨率。通过使每个信道具有单独的发射前端模块30、36、42，可在不变更发射插入件26的情况下改变多个发射贴片33、39、45之间的间隔。

参考图2，发射插入件26可包括与发射地层72共同延伸的发射衬底70，以及与发射地层72相邻的电介质层74。发射衬底70可由具有足够光滑度和硬度的材料构成以使电路具有相对较小的特征(例如，小于10μm)，从而实现相对严格的容限。在一个示例中，发射衬底70由硅构成。在另一个示例中，发射衬底70由陶瓷或玻璃构成。电介质层74用作重新分布层，使得相应的发射天线模块32、38、44能够被相应的馈线34、40、46激发。在一个示例中，电介质层74由聚合物(诸如苯并环丁烯)构成。

参考图2，发射插入件26限定第一侧面23和相对的第二侧面25。多个发射贴片39可定位在发射插入件26的第一侧面23上，并且第二发射前端模块36(和第二馈线40)可定位在发射插入件26的第二侧面25上。这提供了一个优点，即可将热量从发射前端模块36(和其它发射前端模块36、发射前端模块42)带出到基板16并且在其它地方消散。

参考图2，多个互连件78(包括但不限于导电柱、焊料球和凸块)被配置为操作地连接发射插入件26和基板16。多个互连件78可直接地连接发射地层72和基板16的基地层20，从而形成腔体76。图中的多个发射贴片33、39、45中的每个可耦接到相应的孔。参考图2，发射地层72包括耦接到多个发射贴片中的相应的一个发射贴片(诸如图2中示出的贴片39)的孔80。当孔80被第二馈线40激发时，孔80在向前方向d1和反向方向d2上辐射。参考图2，在反向方向d2上的辐射可被由多个互连件78形成的腔体76阻挡。参考图2，第二发射前端模块36可通过导电触点82与第二馈线40连通。

参考图2，接收插入件28可包括接收衬底84、与接收衬底84共同延伸的接收地层86以及与接收地层86相邻的电介质层88。多个互连件92被配置为操作地连接接收衬底84和基板16。参考图2，多个互连件92可直接地连接接收地层86和基板16的地层20，从而形成腔体90。图1中的多个接收贴片53、57、61、65中的每个可耦接到相应的孔。参考图2，接收地层86包括耦接到接收贴片61的孔94。参考图2，接收前端模块50通过导电触点96与第三馈线62连通。参考图2，接收插入件28限定第一侧面27和相对的第二侧面29。多个接收贴片53、57、61、65(请参阅图2中的接收贴片61)可定位在接收插入件28的第一侧面27上，并且接收前端模块50(和第三馈线62)可定位在第二侧面29上。这提供了一个优点，即可将热量从接收前端模块50(和其它前端模块)带出到基板16并且在其它地方消散。

现在参考图3，示出了在雷达模块12中可采用的接收前端模块50的示例性配置的示意图。图4为在图1的雷达模块12中可采用的发射前端模块30的示例性配置的示意图。应当理解，本文提供的示例是非限制性示例，并且可采用另选的配置。另外，发射前端模块30和接收前端模块50可包括图3和图4中未示出的其它电路元件。

参考图3，接收前端模块50被配置为从多个天线模块52、56、60、64接收相应的入射雷达信号ira、irb、irc、ird。接收前端模块50被配置为向信号发生器22发射相应的输出信号oa、ob、oc、od。参考图3，接收插入件28的接收前端模块50可包括第二混频器112、第二本地振荡器114和第二滤波器116。第二本地振荡器114被配置为产生第二本地频率(lo2)。第二混频器112被配置为从第二本地频率和入射雷达信号的第二频率产生和频(lo2+f2)和差频(lo2-f2)。第二滤波器116被配置为移除和频和差频中的至少一个。多个混频器(未示出)可与单个本地振荡器一起采用以创建同相/正交(i/q)解调器，使得到每个混频器的本地振荡器信号在相位上相差90度。

参考图4，信号发生器22被配置为将输入信号ia递送至发射前端模块30，该发射前端模块30发出出射雷达信号ora至发射天线模块32。第二前端模块36和第三前端模块42未示出并且可包括类似的部件。可采用放大器(未示出)以增加输入信号ia的振幅。参考图4，发射插入件26的发射前端模块30可包括第一混频器102、第一本地振荡器104和第一滤波器106。第一本地振荡器104被配置为产生第一本地频率(lo1)。在一个示例中，第一混频器102是谐波混频器，该谐波混频器被配置为产生处于第一本地频率(lo1)和输入信号ia的第一频率(f1)中的至少一个的谐波倍数的和频和差频。可采用第一滤波器102以移除和频和差频中的至少一个。可采用其它类型的电路。

现在参考图5，示出了另一个示例性雷达模块212的示意性俯视图。雷达模块212可安装在图1的装置14上。雷达模块212包括操作地连接到基板216的多个信号发生器222，诸如第一信号发生器222a、第二信号发生器222b、第三信号发生器222c和第四信号发生器222d。多个信号发生器222被配置为生成处于第一频率的相应的输入信号。采用更多同步的信号发生器增加了发射信道和接收信道的数量，从而提高角分辨率。多个信号发生器222和基板216之间的连接可用图2中所示的焊料球24或其它本领域技术人员可用的附接机构来实现。

参考图5，雷达模块212包括多个发射插入件226(参见图5中的发射插入件226a、226b、226c和226d)，该发射插入件226操作地连接到基板216并且被配置为从多个信号发生器222接收相应的输入信号。多个发射插入件各自包括与相应的天线模块连通的相应的发射前端模块。多个发射前端模块，诸如图5中的发射前端模块230a，被配置为将处于第一频率的相应的输入信号升频转换为处于第二频率的相应的出射雷达信号。多个发射插入件226a、226b、226c和226d的级联效应实现了更大的角分辨率。

参考图5，发射前端模块230a通过相应的馈线234a与相应的发射天线模块232a连通。相应的发射天线模块232a包括相应的多个发射贴片233a，多个发射贴片233a被配置为辐射处于第二频率的出射雷达信号。第二频率大于第一频率。在一个示例中，第一频率在20ghz与100ghz之间，并且第二频率在70ghz与300ghz之间。在另一个示例中，第一频率在70ghz与80ghz之间，并且第二频率在210ghz与240ghz之间。在另一个示例中，第一频率为约77ghz，并且第二频率为约234ghz。

参考图5，单个接收插入件228操作地连接到基板216并且被配置为向多个信号发生器222发射相应的输出信号，如箭头所示。单个接收插入件228包括多个接收前端模块250a、250b、250c和250d，这些接收前端模块被配置为将处于第二频率的相应的入射雷达信号降频转换为处于第一频率的相应的输出信号。如图5所示，多个接收前端模块250a、250b、250c和250d中的每个通过相应的馈线(诸如馈线254a)与多个相应的接收天线模块(诸如接收天线模块252a)连通，多个相应的接收天线模块具有被配置为捕获处于第二频率的相应的入射雷达信号的相应的多个接收贴片(诸如接收贴片253a)。

概括地说，雷达系统10将以较低频率工作的一个或多个信号发生器22、222与以较高频率工作的前端模块(接收和发射)集成在一起，以使得能够以低成本、高容量制造相对高频的雷达(诸如工作频率处于或高于100ghz的雷达)。因此，雷达系统10改进了装置14的功能。雷达系统10消除了穿过插入件的通孔，从而降低制造成本并提高效率。雷达系统10提供的技术优点体现在当工作频率超过w频带(110ghz)时，因为此时实现适当的雷达传感器性能所要求的容限变得比具有射频(rf)印刷电路板的基板16、216可提供的要严格。

图1的控制器c可为装置14的其它控制器的集成部分，或为操作地连接到装置14的独立模块。控制器c包括计算机可读介质(也称为处理器可读介质)，该计算机可读介质包括参与提供可被计算机读取(例如，被计算机的处理器读取)的数据(例如，指令)的非暂态性(例如，有形)介质。此类介质可采取许多形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。非易失性介质可包括例如光盘或磁盘以及其它持久性存储器。易失性介质可包括例如可构成主存储器的动态随机存取存储器(dram)。此类指令可由一个或多个传输介质(包括同轴电缆、铜线和光纤，包括构成耦接到计算机处理器的系统总线的线材)传输。一些形式的计算机可读介质包括例如软盘、柔性磁盘、硬盘、磁带、其它磁性介质、cd-rom、dvd、其它光学介质、穿孔卡、纸带、具有孔图案的其它物理介质、ram、prom、eprom、flash-eeprom、其它存储器芯片或盒带、或计算机可读取的其它介质。

本文所述的查找表、数据库、数据储存库或其它数据存储区域可包括用于存储、访问和检索各种数据的各种机构，这些机构包括层次数据库、文件系统中的文件组、专用格式的应用程序数据库、关系数据库管理系统(rdbms)等。每种此类数据存储都可被包括在采用诸如上述中一种的计算机操作系统的计算装置内，并且可通过多种方式中的一种或多种经网络访问。文件系统可为能够从计算机操作系统访问，并且可包括以各种格式存储的文件。除了采用用于创建、存储、编辑和执行存储程序的语言(诸如上述pl/sql语言)之外，rdbms还可采用结构化查询语言(sql)。

具体实施方式和附图或图示是对本公开的支持和描述，但本公开的范围仅由权利要求限定。尽管已对用于实施受权利要求保护的本公开的一些最佳方式和其它实施方案进行了详细描述，但仍存在用于实践所附权利要求中限定的公开内容的各种另选设计和实施方案。此外，附图所示的实施方案或本说明书中提及的各种实施方案的特征不一定被理解为彼此无关的实施方案。相反，一个实施方案的示例中的一个所描述的特征中的每个可与来自其它实施方案的一个或多个其它特征组合，从而导致产生未以文字形式进行描述或参考附图进行描述的其它实施方案。因此，此类其它实施方案落入所附权利要求的范围的框架内。