一种相控阵系统、芯片阵元、合路基带芯片和测距方法

本发明涉及通信或雷达或感知领域，尤其是一种相控阵系统、芯片阵元、合路基带芯片和测距方法。

背景技术：

1、6g将助力人类社会实现“万物智联，数字孪生”的美好愿景，雷达通信感知一体化技术将是其中不可缺少的关键技术。通信和感知的深度融合有助于二者互惠增强，这在低空安防、智慧交通、智能家居、社会治理、智慧医疗等方面具有极大的应用前景。典型应用场景对6g网络和雷达的性能指标提出了更高的要求。

2、目前在通感一体化系统领域，仍然存在如下问题亟待解决：

3、(1)缺乏单天线收发一体技术：在已公开的文献中，需要接收和发射两组天线，使得天线的体积增加或者系统的功能受限。

4、(2)雷达功能和通信功能无法实现电路的同时复用：在已公开的文献中，由于雷达模式的波形和通信模式的波形无法复用，需要独立的电路分别对雷达信号和通信信号进行处理。

5、(3)缺乏在毫米波频段的大规模相控阵系统：在已公开的文献中，仅对单个通感一体化芯片系统进行了研究。

6、综上所述，更高的工作频率、更高的集成度、更高的电路复用率和更大规模的阵列是未来毫米波通感一体化射频前端芯片发展的必然趋势。因此，如何实现超宽带、全集成和大口径的毫米波通感一体化相控阵系统是值得深入研究的重要问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例提供一种相控阵系统、芯片阵元、合路基带芯片和测距方法。

2、本发明的第一方面提供了一种毫米波通感一体化相控阵系统，包括合路基带芯片、母板、至少一个基板和至少一个芯片阵元，具有雷达和通信功能；所述合路基带芯片用于为芯片阵元提供和收集数据信号；所述芯片阵元用于根据所述数据信号对载波信号进行幅度调制，得到调制信号，雷达和通信模式时电路复用；所述基板用于发射所述调制信号并接收回波信号，并组成子阵；所述母板对所述的子阵进行阵列扩展。

3、进一步地，所述合路基带芯片包括数据输入端口、数据输出端口和数据传输端口；所述合路基带芯片的数据输入端口用于接收外部数据信号输入，数据传输端口通过母板与每个所述基板的外部数据传输端口连接以传输数据信号，数据输出端口用于向外部发送数据信号输出。

4、进一步地，每个所述基板包括外部参考频率输入端口、外部数据传输端口、至少一个内部数据传输端口、至少一个内部参考频率输出端口和至少一个天线端口；所述基板通过外部参考频率输入端口接收外部参考频率信号输入并通过内部参考频率输出端口与每个所述芯片阵元的参考频率输入端口连接以输出参考频率信号，通过天线端口与每个所述芯片阵元的天线接口连接；通过内部数据传输端口与每个所述芯片阵元的中频端口连接以传输数据信号。

5、进一步地，所述基板包括阵列封装天线、功分网络和电源层；所述阵列封装天线连接天线端口进行天线信号的接收和发射，所述功分网络用于在多个所述芯片阵元之间进行功率分配，所述电源层为芯片阵元提供直流电位，所述基板上安装至少一个芯片阵元并与母板建立连接关系。

6、进一步地，所述阵列封装天线包括多个分离的天线单元，每个所述天线单元采用双端馈电，两个馈电端分别作为接收信号路径和发射信号路径；每个所述天线单元之间通过金属墙阻隔。

7、本发明第二方面提供了一种通感一体化芯片阵元，应用于所提出相控阵系统中的芯片阵元，其特征在于，包括频率源、双向收发机和基带，通信模式和雷达模式电路复用；所述频率源为双向收发机提供本振，具有移相和倍频功能；所述双向收发机具有直接数字序列幅度调制功能，接收机和发射机共用一个天线端和一个本振输入端；所述基带具有延时功能，接收路径和发射路径共用一个中频端口。

8、进一步地，所述频率源具有输出端和输入端；所述双向收发机具有天线端、数据输出端和数据输入端；所述基带具有数据输入端、数据输出端和中频端口；所述频率源的输入端通过参考频率输入端口接收参考频率信号输入，频率源的输出端连接至所述双向收发机的本振输入端；所述双向收发机的的天线端连接至天线接口，双向收发机的数据输出端和数据输入端分别连接至基带的数据输入端和数据输出端；所述基带的中频端口用于输入或输出数据信号。

9、进一步地，所述频率源具体包括移相器、谐波倍频电路和振荡器；所述频率源的输入端为移相器的输入端，所述移相器的输出端连接至谐波倍频电路的输入端，所述谐波倍频电路的输出端连接至振荡器的输入端，所述振荡器的输出端为频率源的输出端。

10、进一步地，所述基带具体包括接收模拟信号延时电路、发射数字信号延时电路、有源巴伦电路和中频输入匹配电路；所述基带的数据输入端为有源巴伦电路的输入端，所述有源巴伦电路的输出端连接至接收模拟信号延时电路的输入端，所述接收模拟信号延时电路的输出端与中频输入匹配电路的输入端和基带的中频端口共点，所述中频输入匹配电路的输出端连接至发射数字信号延时电路的输入端，所述基带的数据输出端为发射数字信号延时电路的输出端。

11、进一步地，所述双向收发机具体包括天线开关、低噪声放大器、功率放大器、第一解调器、第二解调器和本振开关；所述的第一解调器和第二解调器具有放大和解调两种模式；所述双向收发机的本振输入端为本振开关的输入端，本振开关的输出端分别连接至第一解调器的本振端和第二解调器的本振端，所述第一解调器的数据端为双向收发机的数据输出端，所述第一解调器的射频端连接至低噪声放大器的输出端，所述第二解调器的射频端连接至功率放大器的输入端，所述功率放大器的调制端为双向收发机的数据输入端，所述低噪声放大器的输入端连接至天线开关的接收端；所述功率放大器的输出端连接至天线开关的发射端，所述天线开关的天线端为双向收发机的天线端。

12、进一步地，所述双向收发机具体包括双向放大器和解调器，所述解调器的本振端为双向收发机的本振输入端；所述的解调器具有放大和解调两种模式；所述解调器的射频端连接至双向放大器的第一射频端，所述解调器的数据端为双向收发机的数据输出端，双向放大器的调制端为双向收发机的数据输入端，双向放大器的第二射频端为双向收发机的天线端。

13、本发明第三方面提供了一种合路基带芯片，应用于所提出相控阵系统中的合路基带芯片，包括多基带合成电路、可变增益放大器、开关、伪随机序列生成器和基带自干扰抵消电路；所述多基带合成电路将发射基带和接收基带合为一个端口发射和接收数据信号；所述可变增益放大器用于提供不同档位的增益放大；所述开关用于在雷达数据和通信数据间切换；所述伪随机序列生成器用于产生周期性的伪随机序列；所述基带自干扰抵消电路用于抵消发射信号对接收信号的干扰。

14、进一步地，所述多基带合成电路具有合成端和支路端，其中合成端作为合路基带芯片的数据传输端口进行外部连接，支路端分别连接所述可变增益放大器的输入端和所述开关的输出端；所述开关具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端作为所述合路基带芯片的数据输入端口进行外部连接，第二输入端连接所述伪随机序列生成器的输出端；所述可变增益放大器具有输入端和输出端；所述基带自干扰抵消电路具有输入端和输出端，其中输入端与所述伪随机序列生成器的输出端连接，输出端与所述可变增益放大器的输出端合路后作为所述合路基带芯片的数据输出端口进行外部连接。

15、本发明第四方面提供了一种雷达测距方法，应用于所提出相控阵系统，其特征在于，利用伪随机序列对载波进行幅度调制后发射，对回波解调后的信号进行数字采样并与不同延时的伪随机序列进行相关分析，相关性最高的路径所对应的延时为飞行时间，从而确定目标的距离。所述伪随机序列周期性重复，具有尖锐的模糊函数。

16、本发明的实施例具有如下方面有益效果：本发明提出了一种直接数字序列调幅的毫米波通信感知一体化相控阵系统架构，实现了雷达通信电路的复用。同时，所提出的双向收发机方案实现了单天线收发。该系统架构中，利用移相器进行相位精调，利用基带延时单元进行相位粗调，使得该系统能够支持大规模组阵的需求。本发明的雷达测距方法采用连续波调幅信号进行感知，利用具有尖锐模糊函数的伪随机序列进行相关分析，没有距离模糊的问题，为通感一体化系统的波形设计提供了解决方案，实现了通信和感知的波形一体化。

17、本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。