CN103080768B - 太赫兹相控阵列*** - Google Patents

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Abstract

现在，微电子已经发展到太赫兹频率范围内的辐射可以被生成和使用的地步。此处，提供了一种集成电路或IC，其包括使用太赫兹辐射的相控阵列雷达***。为实现此目的，应用了若干特征；即将较低频率的信号传播到收发器，其将该频率倍增至期望的频率范围。为了克服来自倍增的损耗，使用注入锁定压控振荡器（ILVCO），并且然后可以使用高频功率放大器（PA）放大该信号，以便进行发射。

Description

太赫兹相控阵列***
技术领域
本发明总体涉及相控阵列，并且更具体地涉及“片上”太赫兹相控阵列***。
背景技术
相控阵列***已经变得普遍，其通常具有若干用途。对于相控阵列***，最常见的用途是雷达***（即，脉冲雷达和多普勒频移雷达）。事实上，相控阵列雷达已经替代了大多数前几代机械扫描雷达***，因为：由于机械部件被电子器件替代，因此由于磨损造成失效的可能性较低；并且扫描速率高得多。
图1示出图示常规相控阵列***100的基本功能的框图。***100通常包括信号发生器102、移相器104-1到104-k、包括辐射器106-1到106-k的相控阵列110以及方向控制器108。在操作中，信号发生器102提供待发射的信号（即，用于脉冲雷达的脉冲）。基于期望的方向，方向控制器108向移相器104-1到104-k提供控制信号，该控制信号改变提供到相控阵列内的辐射器106-1到106-k中的每一个的信号相位。因为通过辐射器106-1至106-k发射的信号通常彼此异相，所以辐射信号的相长干涉和相消干涉沿期望方向形成波束。
然而，这些常规的***已经被局限于常规射频（RF）频率范围。例如，用于常规雷达的频率范围在3MHz（用于HF频带雷达）和110GHz（用于W频带雷达）之间。使用这些相对较低频率范围的原因在于，过去小型半导体的相干辐射源在太赫兹频率范围（其通常在0.1THz和10THz之间）不可用。通常，在微波范围中的电子器件和振荡器随着频率增加耗尽功率增益，并且典型的宽带红外黑体源在此区域内开始失去可用功率。然而，由于太赫兹辐射的独特的特性，所以非常期望使用太赫兹辐射。即，太赫兹辐射具有较低频率辐射（即，微波）的特性（因为其可以电产生）以及较高频率辐射（即，可见光）的特性（因为其可以利用光学进行控制）。
当今，存在两种通用类型的太赫兹源：非相干源和相干源。非相干源通常是宽带非相干热源，其包括超短飞秒脉冲激光激励的光电导天线、非线性光电晶体或遭受非常差的转换效率（1W激光脉冲产生在nW-mW范围中的宽带能量）的非线性传输线。相干源通常是窄带连续波（CW）相干源，其包括二极管乘法微波振荡器、使用二氧化碳激光器抽运甲醇或氰酸的气体激光器、通过差分混合的光学下变换气体激光器以及半导体量子激发气体激光器。不过，这些相干源通常消耗大量功率，并且不是紧凑的，需要外来材料，和/或是昂贵的。
因此，需要一种紧凑的即集成到集成电路中的太赫兹辐射源。
常规电路的某些示例为：Williams的“Filling the THz Gap”，doi:10.1088/0034-4885/69/2/R01;Heydari等人的“Low-Power mm-WaveComponents up to104GHz in90nm CMOS”，ISSCC2007,pp.200-201，2007年2月，San Francisco，CA;LaRocca等人的“Millimeter-Wave CMOSDigital Controlled Artificial Dielectric Differential Mode Transmission Linesfor Reconfigurable ICs”，IEEE MTT-S IMS,2008;Scheir等人的“A52GHzPhased-Array Receiver Front-End in90nm Digital CMOS”，JSSC2008年12月，pp.2651-2659;Straayer等人的“A Multi-Path Gated Ring OscillatorTDC With First-Order Noise Shaping”，IEEE J.of Solid State Circuits，Vol.44，No.4，2009年4月，pp.1089-1098;Huang的“Injection-LockedOscillators with High-Order-Division Operation forMicrowave/Millimeter-wave Signal Generation”，论文，2007年10月9日;Cohen等人的“A bidirectional TX/RX four element phased-array at60HGzwith RF-IF conversion block in90nm CMOS processes”，2009IEEE RadioFreq.Integrated Circuits Symposium,pp.207-210;Koh等人的“AMillimeter-Wave(40-65GHz)16-Element Phased-Array Transmitter in0.18-μm SiGe BiCMOS Technology”，IEEE J.of Solid State Circuits，Vol.44，No.5，2009年5月，pp.1498-1509;York等人的“Injection-andPhase-locking Techniques for Beam Control”，IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques,Vol.46，No.11，1998年11月，pp.1920-1929;Buckwalter等人的“An Integrated SubharmonicCoupled-Oscillator Scheme for a60-GHz Phased Array Transmitter”，IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques,Vol.54，No.12，2006年12月，pp.4271-4280；以及PCT公布，No.WO2009028718。
发明内容
因此，本发明的示例实施例提供了一种装置。该装置包括：本地振荡器，其生成本地振荡器信号和脉冲信号；分发网络，其耦合到本地振荡器，以便至少分发本地振荡器信号；多个收发器，其中每一个收发器具有辐射器、耦合到辐射器的发射路径以及耦合到辐射器的接收路径，并且其中每一个收发器的发射路径包括：移相器，其耦合到分发网络以便接收本地振荡器信号；倍增器，其耦合到移相器以便接收移相的本地振荡器信号；注入锁定压控振荡器（ILVCO），其耦合到倍增器；以及功率放大器（PA），其耦合到ILVCO并且接收脉冲信号；以及接收器电路，其耦合到每一个收发器的接收路径。
根据本发明的示例实施例，本地振荡器信号还包括第一本地振荡器信号，并且其中本地振荡器还包括：锁相环（PLL），其接收基准信号并且生成第一振荡器信号和第二本地振荡器信号；计数器，其接收控制信号并且耦合到PLL；以及脉冲发生器，其耦合到计数器和PLL，其中脉冲发生器至少部分基于第二本地振荡器信号和来自计数器的输出而生成脉冲信号。
根据本发明的示例实施例，PLL还包括：相位检测器，其接收基准信号；电荷泵，其耦合到相位检测器；低通滤波器，其耦合到电荷泵；压控振荡器（VCO），其耦合到低通滤波器；放大器，其耦合到VCO；以及多个分频器，其彼此串联耦合在VCO和相位检测器之间。
根据本发明的示例实施例，每一个收发器的发射路径还包括放大器，放大器耦合在移相器和倍增器之间。
根据本发明的示例实施例，ILVCO还包括：第一节点；第二节点；感性网络，其耦合在第一节点和第二节点之间；容性网络，其耦合在第一节点和第二节点之间；第一MOS晶体管，其在其源极或漏极处耦合到第一节点，并且在其栅极处耦合到第二节点；第二MOS晶体管，其在其源极或漏极处耦合到第二节点，并且在其栅极处耦合到第一节点；第三MOS晶体管，其大致并联耦合到第一MOS晶体管；第四MOS晶体管，其大致并联耦合到第二MOS晶体管；以及平衡/不平衡变换器，其耦合到放大器并且耦合到第三MOS晶体管和第四MOS晶体管的栅极。
根据本发明的示例实施例，PA还包括：第一电容器，其接收来自ILVCO的输出；第一电感器，其耦合到第一电容器；第二电感器，其耦合到第一电感器；第二电容器，其耦合到第二电感器；第三电感器；第五MOS晶体管，其在其栅极处耦合到第一电感器和第二电感器，并且第五MOS晶体管耦合到第三电感器；第四电感器；第五电感器；第六MOS晶体管，第六MOS晶体管在其栅极处接收脉冲信号，并且第六MOS晶体管耦合在第四电感器和第五电感器之间；以及第三电容器，其耦合在第三电感器和第五电感器之间。
根据本发明的示例实施例，放大器还包括第一放大器，并且其中倍增器还包括第一倍增器，并且其中每一个收发器的接收路径还包括：低噪声放大器（LNA），其耦合到辐射器；第二倍增器，其耦合到第一放大器；第二放大器，其耦合到第二倍增器；混频器，其耦合到LNA和第二放大器；以及第三放大器，其耦合到混频器。
根据本发明的示例实施例，混频器还包括第一混频器，并且其中每一个收发器的接收路径还包括：第二混频器，其耦合到第一放大器和第三放大器；以及第四放大器，其耦合到第二混频器。
根据本发明的示例实施例，放大器还包括第一放大器，并且其中每一个收发器的发射路径还包括触发器，触发器接收脉冲信号并且耦合到第一放大器、ILVCO以及PA，并且其中倍增器还包括第一倍增器，并且其中每一个收发器的接收路径还包括：LNA，其耦合到辐射器；第二放大器，其耦合到ILVCO；混频器，其耦合到LNA和第二放大器；以及第三放大器，其耦合到混频器。
根据本发明的示例实施例，每一个移相器还包括：第一输入端；第二输入端；第一电感器，其耦合到第一输入端；第二电感器，其耦合到第二输入端；以及多个移相器，其中每一个移相器包括：第一MOS晶体管，其在其漏极处耦合到第一输入端；第二MOS晶体管，其在其漏极处耦合到第二输入端；以及第三MOS晶体管，其在其漏极处耦合到第一MOS晶体管和第二MOS晶体管的源极。
根据本发明的示例实施例，倍增器还包括：差分扼流圈；整流交错器，其耦合到差分扼流圈；以及VCO，其耦合到整流交错器。
根据本发明的示例实施例，接收器电路还包括：求和电路，其耦合到每一个收发器的接收路径；放大器，其耦合到求和电路；滤波器，其耦合到放大器；以及数字化电路，其耦合到放大器。
根据本发明的示例实施例，本地振荡器信号还包括第一本地振荡器信号，并且其中本地振荡器生成第二本地振荡器信号，并且其中接收器电路还包括混频器，混频器耦合在求和电路和放大器之间并且接收第二本地振荡器信号。
根据本发明的示例实施例，提供了一种装置。该装置包括：本地振荡器，其包括：相位检测器，其接收基准信号；电荷泵，其耦合到相位检测器；低通滤波器，其耦合到电荷泵；本地振荡器VCO，其生成频率大于40GHz的第一本地振荡器信号；多个分频器，其彼此串联耦合在本地振荡器VCO和相位检测器之间，以便向相位检测器提供从第一本地振荡器信号生成的反馈信号，其中多个分频器中的至少一个生成频率大于20GHz频率的第二本地振荡器；计数器，其接收反馈信号和控制信号；以及脉冲发生器，其接收第二本地振荡器信号，耦合到计数器并且生成脉冲信号；分发网络，其耦合到本地振荡器以便至少分发第一本地振荡器信号；多个收发器，其中每一个收发器具有辐射器、耦合到辐射器的发射路径以及耦合到辐射器的接收路径，并且其中辐射器被布置成阵列，并且其中每一个收发器的发射路径包括：移相器，其耦合到分发网络以便接收第一本地振荡器信号；倍增器，其耦合到移相器，以便接收移相的第一本地振荡器信号；发射路径还包括ILVCO，其具有：第一节点；第二节点；感性网络，其耦合在第一节点和第二节点之间；容性网络，其耦合在第一节点和第二节点之间；第一MOS晶体管，其在其源极或漏极处耦合到第一节点，并且在其栅极处耦合到第二节点；第二MOS晶体管，其在其源极或漏极处耦合到第二节点，并且在其栅极处耦合到第一节点；第三MOS晶体管，其大致并联耦合到第一MOS晶体管；第四MOS晶体管，其大致并联耦合到第二MOS晶体管；以及平衡/不平衡变换器，其耦合到第一倍增器以及第三MOS晶体管和第四MOS晶体管的栅极；PA，其耦合到ILVCO以及其辐射器并且接收脉冲信号；以及接收器电路，其耦合到每一个收发器的接收路径。
根据本发明的示例实施例，提供了一种装置。该装置包括：多个辐射器，其被布置成形成阵列的模式；本地振荡器，其生成本地振荡器信号和脉冲信号；分发网络，其耦合到本地振荡器以便至少分发本地振荡器信号；多个发射路径，其中每一个发射路径耦合在分发网络和至少一个辐射器之间，并且其中每一个发射路径包括：移相器，其耦合到分发网络以便接收本地振荡器信号；倍增器，其耦合到移相器以便接收移相的本地振荡器信号；ILVCO，其耦合到倍增器；PA，其耦合到ILVCO并且接收脉冲信号；以及多个接收路径，其中每一个接收路径耦合到至少一个辐射器；接收器电路，其耦合到每一个接收路径；以及控制器，其耦合到每一个移相器。
根据本发明的示例实施例，求和电路还包括求和放大器树。
附图说明
参考附图描述示例实施例，其中：
图1是常规相控阵列***的示例；
图2是根据本发明的示例实施例的相控阵列***的示例的框图；
图3是图2的本地振荡器（LO）的示例的框图；
图4-7是图2的收发器的示例的框图；
图8是图4-7的倍增器的示例的电路图；
图9是图4-7的移相器的示例的电路图；
图10是图4-7的注入锁定压控振荡器（ILVCO）的示例的电路图；
图11是图4-7的功率放大器（PA）和低噪声放大器（LNA）的示例的电路图；
图12是图4-7的辐射器的示例的框图；
图13是图2的相控阵列***的框图；
图14和图15是描绘图2的相控阵列***的操作的示例的时序图；
图16是图2的开关的示例的电路图；
图17是图2的模数转换器（ADC）的示例的电路图；
图18是图17的低通滤波器/带通滤波器的电路图；
图19A和图19B是与图2的ADC一起使用的时间-数字转换器的示例的电路图；
图19C是描绘图19A和图19B的时间-数字转换器的操作的示例的时序图；以及
图20是用于图2的接收器电路的求和电路的示例的电路图。
具体实施方式
在图2中，可以看到根据本发明的示例实施例的相控阵列***200。相控阵列***200通常包括LO202、相控阵列224、分发网络226、接收器电路228以及控制器208。相控阵列224通常包括以阵列布置的若干收发器204-1到204-N。分发网络226通常包括放大器206和208-1到208-N。此外，接收器电路通常包括求和电路210、混频器212、放大器214、滤波器216、开关208-1到208-N、可变选择器220以及ADC222-1到222-N。
在操作中，相控阵列***200（其通常被合并到集成电路或IC中）可以生成工作在太赫兹频率范围（其通常在0.1THz和10THz之间）内的短程雷达***。为实现此目的，本地振荡器202生成大约几十到几百吉赫兹（即，40GHz、50GHz、67GHz以及100GHz）的高频信号FL01和脉冲信号TPUSLE。然后，分发网络226向收发器204-1到204-N中的每一个提供信号FL01，使得收发器104-1到204-N中的每一个接收到的信号基本上同相。控制器208向阵列224提供控制信号，该控制信号对收发器204-1到204-N相对彼此进行相位调整，以引导太赫兹频率辐射的波束。然后，收发器204-1到204-N可以接收从目标返回的反射辐射，该反射辐射被提供到求和电路210。求和电路210的输出被混频器212、放大器214、滤波器216、开关218-1到218-N、可变选择器220以及ADC222-1到222-N转换为数字信号。此外，混频器212可以从LO202接收分频信号（即，FL01/2或另一合成信号），或者可以移除混频器212（通常对于40GHtz或者更小频率）。
一般来说，该相控阵列***200具有若干不同类型的操作模式：脉冲频率、连续频率以及步进频率。对于脉冲操作模式，太赫兹辐射的脉冲被引向目标。连续操作模式使用连续生成的波束，其通常通过有效地“关闭”脉冲信号TPULSE来实现。最后，步进频率允许太赫兹波束的频率被改变，这可以通过使用一组本地振荡器（即202）来实现。具体地，对于脉冲操作模式，***200的范围由下列等式决定：
( 1 ) R = σ PG 2 λnE ( n ) ( 4 π ) 3 kTBF ( S N ) 4 ,
其中R为可以被测量的距离或范围；σ是目标的雷达截面（通常不等于物理截面）；S/N是在中频IF滤波器输出处的单脉冲SNR（包络检波器输入）；kTB是在接收器带宽B（B≈1/脉宽）中的有效引入噪声功率；F是接收器的噪声因子（导出的参数）；P是峰值发射器功率；G是天线功率增益；λ是辐射的波长（即，对于200GHz，≈1.5mm）；n是在接收器中脉冲积分的数量（多脉冲平均）；以及E(n)是积分的效率。对于包括***200的单片集成低功耗IC，该范围通常小于1米。
转到图3，可以更加详细地看到LO202的示例。一般地，该LO202使用从基准信号REF生成信号FL01和FL02的锁相环（PLL）326，并且使用计数器322和脉冲发生器324以产生脉冲信号TPULSE。PLL326通常包括相位检测器302、电荷泵304、低通滤波器304、放大器310和312、压控振荡器（VCO）308以及分频器320、318、316和314。在操作中，相位检测器302接收来自的分频器314的反馈信号和基准信号REF，并且（连同电荷泵304和低通滤波器306一起）生成用于VCO308的调谐电压。通常，VCO308生成高频信号（即，100GHz，67GHz，50GHz或40GHz），该信号由放大器310和312放大，从而产生信号FL01。分频器320（其通常是注入锁定的2分频分频器）接收放大器的输出，从而输出信号FL02。然后，信号FL02被提供到分频器318（其通常是2分频的电流模逻辑分频器）。分频器318的输出被提供到分频器316（其通常是8分频的电流模逻辑分频器），并且分频器316的输出被提供到分频器314（其通常是M分频的CMOS分频器）以生成反馈信号。计数器322基于控制信号CNTL和来自分频器314的反馈信号生成计数信号，并且脉冲发生器234至少部分地基于来自计数器322的计数信号以及分频器318和320的输出产生脉冲信号TPULSE。
在图4中，可以更加详细地看到收发器202-1到202-N中的一个（称作202-A）的示例。如所示，收发器202-A通常包括发射路径402-A和接收路径404-A，它们各自耦合到辐射器426（即，天线）。在发射期间，移相器404（其通常由控制器230控制）相应地接收来自LO202的信号FL01和移相信号FL01。该移相信号由放大器408放大并且由倍增器410-A（其通常为3倍倍增器）倍增，该倍增器允许信号FL01被增加到期望的频率范围。例如，如果信号FL01大约为67GHz，则倍增器410-A将输出具有大约201GHz频率的信号。该倍增后的信号被提供到ILVCO412，其通常用来补偿倍增器410-A的损耗。此外，ILVCO412接收脉冲信号TPULSE。然后，功率放大器（PA）414放大ILVCO412的输出，以便通过辐射器426进行发射。通常，当信号FL01具有大约为67GHz的频率时，脉冲信号TPULSE的脉冲宽度大约为30ps、60ps或90ps。在接收期间，辐射器426接收信号，该信号由放大器420放大。该放大后的信号与频率为信号FL01的倍数的信号进行混频。通常，倍增器416（其通常为2倍倍增器）接收来自放大器408的输出，并且结果由放大器418放大并且被提供到混频器422。然后，混频后的输出由放大器424放大并且被提供到求和电路210。此外，在2010年12月21日提交的、题为“Downconversion Mixer”的共同未决的PCT申请（对应于美国申请U.S.12/871,626）中描述了混频器422。
参看图5，可以更加详细地看到用于收发器202-1到202-N中的一个（称为202-B）的替换配置。发射路径402-B类似于发射路径402-A；然而，倍增器410-B已经代替倍增器410-B。一般地，倍增器410-B具有比倍增器410-B大的范围，以适应较低频率信号FL01。例如，如果信号FL01具有50GHz的频率，则倍增器410-B可以是4倍倍增器，以生成大约200GHz的信号。此外，为了适应较低频率信号FL01，接收路径404-B包括混频器428和放大器430，混频器428对放大器424和408的输出进行混频。同样，当信号FL01具有大约为50GHz的频率时，脉冲信号TPULSE的脉冲宽度可以是大约40ps或80ps。
转到图6，可以更加详细地看到收发器202-1到202-N中一个的又一替换收发器（称作202-C）。此处，D触发器432已经被包括在脉冲信号TPULSE的路径中；即触发器432的输入端接收脉冲信号TPULSE，同时触发器由放大器408的输出钟控。此外，倍增器416和放大器418已经由放大器434代替。该布置通常对更低频率范围（即，40GHz）有用，这可以产生大约为50ps或100ps的脉冲信号TPULSE的脉冲宽度。
在图7中，可以更加详细地看到收发器202-1到202-N中的另一替换收发器（称作202-D）。此处，发射路径402-D类似于路径204-A；然而，倍增器410-A已经被倍增器410-D替代，同时移除了放大器408。倍增器410-D通常具有较低范围，以适应具有高频的信号FL01。例如，如果信号FL01具有大约为100GHz的频率，则倍增器410-D可以为2倍倍增器。此外，对于接收路径404-D，倍增器416和放大器418已经被移除，使得混频器422将LNA420的输出与移相器406的输出进行混频。
现在转到图8，可以看到倍增器410和/或416的示例的电路图。此类倍增器410和/或416通常被使用在收发器202-1到202-N内，以产生非常高的频率（即，200GHz），因为直接产生这些高频率信号是非常困难的。一般地，倍增器410和/或416使用差分扼流圈802、整流交错器804以及VCO806。通常，VCO806使用两个振荡器回路（tank），用于从差分同相信号VIP和VIM以及差分正交信号VQM和VQP生成两对输出信号。通常，VCO806包括MOS晶体管Q5至Q12、电感器L3至L6以及电容器C1和C2。整流交错器804使用两个差分对晶体管Q1/Q2和Q3/Q4以及电流源810和812，用于交错来自VCO806的输出，以生成单端输出信号OUT。此外，端子808和电感器L1和L2（来自差分扼流圈802）耦合到整流交错器804。通常，功率输出足以锁定ILCVO412（即，-20bBm）。
在图9中，可以看到相位调整器406的示例。此处，差分输入信号IN（其通常是来自LO202的信号FL01）被提供到差分对MOS晶体管Q13/14、Q15/Q16、Q17/Q18以及Q19/Q20（其还耦合到电感器L7和L8）。基于从控制器236接收的控制信号VC1至VC4，晶体管Q21至Q24可以激活差分对Q13/Q14、Q15/Q16、Q17/Q18以及Q19/Q20，从而生成差分输入信号IN的相位旋转，该相位旋转具有小于约±22.5°的总移相范围。通常，在较低频域中（即，50GHz）执行移相，以普遍缓解任何带宽要求并且高效地恢复功率损失。
转到图10，可以看到ILVCO412的示例的电路图。由于来自倍增器410的损失，所以通常使用ILVCO412。理论上，如果在锁定范围内中心频率与有限增益相匹配，则ILVCO412可以提供无限增益。通常，MOS晶体管Q25和Q28在它们各自的栅极处耦合到平衡/不平衡变换器1002，该平衡/不平衡变换器1002接收来自倍增器410（即，410-A、410-B或410-C）的输出。在替换配置中，MOS晶体管Q28可以在其栅极处接收来自倍增器410（即，410-A、410-B或410-C）的输出，而MOS晶体管Q28在其栅极处接收脉冲信号TPULSE。这些晶体管Q25和Q28通常并联耦合到增益级（其通常由交叉耦合的MOS晶体管Q26和Q27组成）和振荡器回路（其通常由电容器C3和C4以及电感器L9和L10组成）。替换地，输出的二次谐波可以被用来代替一次谐波，以放宽任何调谐范围要求，而不降低输出功率。作为例示，以下表1中可见使用一次谐波和二次谐波两者的ILVCO412的特性。
表1
目标 一次谐波 二次谐波
输入频率[GHz] 200 100
输出频率[GHz] 200 200
功率输出[dBm] -12 -12
相位锁定 200GHz 100GHz
在图11中，可以看到PA414和/或LNA420的示例的电路图。一般地，PA414和/或LNA420可以提供线性放大和隔离，并且PA414和/或LNA420的特征之一是用快速脉冲时间（即，几十皮秒）进行功率门控的能力。PA414和/或LNA420通常包括电感器L11至L15、电容器C5至C7以及晶体管Q29和Q30。此处，电容器C5至C7由串联或分路电感器L11至L15共振，用于连同晶体管Q29和Q30一起提供放大。此外，PA414和/或LNA420的输入和输出可以匹配于输入或输出阻抗。例如，对于PA414，输出阻抗可以被匹配于辐射器426。此外，图11中所示的电路可以被级联为多个级，其中每一级的增益可以在0和2dB之间。
转到图12，可以看到辐射426的示例。此处，辐射器426被示为是形成在衬底210上的贴片天线。该贴片天线通常包括具有槽128的贴片1204，该槽128大致平行于接地片（ground strip）和辐射边缘1202。对于约为410GHz的频率（其在空气中具有约为0.75mm的波长），贴片1204的宽度W和长度L均为约200μm，而这些槽是2μm宽。然后，贴片天线的比例可以变化，以便适应期望的发射频率（以及波长）。然后，这些辐射器426（即，贴片天线）可以形成为如图13中所示的阵列。替换地，辐射器426可以是键合线Yagi-Uda天线。
因为***200的数据带宽非常高（即，大约几十吉赫兹），所以使用ADC对由接收器电路228接收的信号进行数字化通常是不实际的。在图14和图15中，可以看到大致描绘接收器电路228的操作的时序图，其中每个图使用触发信号重构所接收的信号。对于图14，可变选择器220在跟随触发信号的各个时间段（即，Δ1到Δ4）处致动开关218-1到218-N，以允许ADC222-1到222-N中的每一个解析一部分接收到的信号。另一方面，图15使用跟随这些时间段（即，Δ1到Δ4）的包络信号作为开关218-1到218-N的控制机制的一部分。
为实现此目的，可以采用若干方法。在图16中，可以看到一个布置的示例。在该布置中，开关218-1到218-N由齐纳二极管D1到DN、电容器CS1到CSN以及脉冲电路1602-1到1602-N（其通常由可变选择器220控制）组成。这些开关218-1到218-N操作为输入采样网络，其中每一个电容器CS1到CSN耦合到“慢速”ADC222-1到222-N。一般地，该方法会要求非常小的孔径和非常精确的时钟生成。
在图17中可以看到另一布置。对于该布置，ADC222-1到222-N（称为222）是低通/带通sigma-delta（∑-Δ）转换器，其可以用约100GHz的时钟来直接数字化约10GHz的带宽。ADC222通常包括滤波器1702、量化器1704、延迟器1712、数模转换器（DAC）1714以及放大器1716和1718。量化器1704通常包括量化器1706-1和1706-2、时钟分频器1710以及多路复用器1708。在操作中，反馈信号（其由放大器1718放大）与输入信号组合，并由滤波器1702进行过滤。该过滤后的输出与反馈信号（其由放大器1716放大）组合。量化器1704（其通常为工作在1.5GHz的2位2路交错量化器）量化信号（然后，其被延迟器1712延迟并由DAC1714转换为反馈信号）。
在图18中可以更加详细地看到滤波器1702。具体地，滤波器1702操作为放大器和LC滤波器。为实现此目的，滤波器1702通常包括跨导单元1804（其通常包括晶体管Q31至Q36、线性化器1802以及开关S1和S2）和负跨导单元1806（其通常包括晶体管Q37至Q40），它们各自耦合到LC电路1808（其通常包括电感器L16和L17以及电容器C8）。
在图19A、19B和19C中可以看到又一方法。此处，时间-数字转换器1902耦合到ADC222-1到222-N中的每一个；然而仅示出了一个ADC（标记222）。该转换器1902具有亚皮秒分辨率，并且在操作中，当输入信号转变为逻辑高或“1”时，转换器1902被使能。这激活了门控环形振荡器1904，使得计数器1906可以根据振荡器1904的抽头执行计数操作。然后，来自计数器1904的输出可以被求和并存储在寄存器1904中。
转至图20，可以看到求和电路210的示例的电路图。通常，求和电路210是求和放大器，其被形成为求和放大器树。如图20所示，每一个求和电路或求和放大器2002接收一对输入信号。在该树的第一级2004-1，每一个求和电路2002耦合到一对收发器（即，204-1和204-1）。然后，每一个后续级（即，2004-2）从前一级（即，2004-1）接收来自一对求和电路2002的输入信号。因此，该树具有log2N的深度，其中N为收发器204-1到204-N的数量。
虽然在示例实施例的背景下描述了多个特征或步骤，所述示例实施例具有全部这类特征或步骤，或者仅具有一些这类特征或步骤，但是此处意在涵盖具有这类特征或步骤中的一个或多个的不同组合的实施例。本领域技术人员将理解，在本发明的范围内，许多其他实施例和变形也是可能的。

Claims (20)

1.一种相控阵列***，其包括：
本地振荡器，其生成本地振荡器信号和脉冲信号；
分发网络，其耦合到所述本地振荡器，以便至少分发所述本地振荡器信号；
多个收发器，其中每一个收发器具有辐射器、耦合到所述辐射器的发射路径以及耦合到所述辐射器的接收路径，其中每一个收发器的所述发射路径包括：
移相器，其耦合到所述分发网络以便接收所述本地振荡器信号；
倍增器，其耦合到所述移相器以便接收移相的本地振荡器信号；
注入锁定压控振荡器，即ILVCO，其耦合到所述倍增器；以及
功率放大器，即PA，其耦合到所述ILVCO并且接收所述脉冲信号；以及
接收器电路，其耦合到每一个所述收发器的所述接收路径。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述本地振荡器信号还包括第一本地振荡器信号，并且其中所述本地振荡器还包括：
锁相环，即PLL，其接收基准信号并且生成所述第一本地振荡器信号和第二本地振荡器信号；
计数器，其接收控制信号并且耦合到所述PLL；以及
脉冲发生器，其耦合到所述计数器和所述PLL，其中所述脉冲发生器至少部分基于所述第二本地振荡器信号和来自所述计数器的输出而生成所述脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的***，其中所述PLL还包括：
相位检测器，其接收所述基准信号；
电荷泵，其耦合到所述相位检测器；
低通滤波器，其耦合到所述电荷泵；
压控振荡器，即VCO，其耦合到所述低通滤波器；
放大器，其耦合到所述VCO；以及
多个分频器，其彼此串联耦合在所述VCO和所述相位检测器之间。
4.根据权利要求2所述的***，其中每一个收发器的所述发射路径还包括放大器，所述放大器耦合在所述移相器和所述倍增器之间。
5.根据权利要求4所述的***，其中所述ILVCO还包括：
第一节点；
第二节点；
感性网络，其耦合在所述第一节点和所述第二节点之间；
容性网络，其耦合在所述第一节点和所述第二节点之间；
第一MOS晶体管，其在其源极或其漏极处耦合到所述第一节点，并且在其栅极处耦合到所述第二节点；
第二MOS晶体管，其在其源极或其漏极处耦合到所述第二节点，并且在其栅极处耦合到所述第一节点；
第三MOS晶体管，其并联耦合到所述第一MOS晶体管；
第四MOS晶体管，其并联耦合到所述第二MOS晶体管；以及
平衡/不平衡变换器，其耦合到所述放大器并且耦合到所述第三MOS晶体管和所述第四MOS晶体管的栅极。
6.根据权利要求5所述的***，其中所述PA还包括：
第一电容器，其接收来自所述ILVCO的输出；
第一电感器，其耦合到所述第一电容器；
第二电感器，其耦合到所述第一电感器；
第二电容器，其耦合到所述第二电感器；
第三电感器；
第五MOS晶体管，所述第五MOS晶体管在其栅极处耦合到所述第一电感器和所述第二电感器，并且所述第五MOS晶体管耦合到所述第三电感器；
第四电感器；
第五电感器；
第六MOS晶体管，所述第六MOS晶体管在其栅极处接收所述脉冲信号，并且所述第六MOS晶体管耦合在所述第四电感器和所述第五电感器之间；以及
第三电容器，其耦合在所述第三电感器和所述第五电感器之间。
7.根据权利要求4所述的***，其中所述放大器还包括第一放大器，并且其中所述倍增器还包括第一倍增器，并且其中每一个收发器的所述接收路径还包括：
低噪声放大器，即LNA，其耦合到所述辐射器；
第二倍增器，其耦合到所述第一放大器；
第二放大器，其耦合到第二倍增器；
混频器，其耦合到所述LNA和所述第二放大器；以及
第三放大器，其耦合到所述混频器。
8.根据权利要求7所述的***，其中所述混频器还包括第一混频器，并且其中每一个收发器的所述接收路径还包括：
第二混频器，其耦合到所述第一放大器和所述第三放大器；以及
第四放大器，其耦合到所述第二混频器。
9.根据权利要求4所述的***，其中所述放大器还包括第一放大器，并且其中每一个收发器的所述发射路径还包括触发器，所述触发器接收所述脉冲信号并且耦合到所述第一放大器、所述ILVCO以及所述PA，并且其中所述倍增器还包括第一倍增器，并且其中每一个收发器的所述接收路径还包括：
LNA，其耦合到所述辐射器；
第二放大器，其耦合到所述ILVCO；
混频器，其耦合到所述LNA和所述第二放大器；以及
第三放大器，其耦合到所述混频器。
10.根据权利要求1所述的***，其中每一个移相器还包括：
第一输入端；
第二输入端；
第一电感器，其耦合到所述第一输入端；
第二电感器，其耦合到所述第二输入端；以及
多个子移相器，其中每一个子移相器包括：
第一MOS晶体管，其在其漏极处耦合到所述第一输入端；
第二MOS晶体管，其在其漏极处耦合到所述第二输入端；以及
第三MOS晶体管，其在其漏极处耦合到所述第一MOS晶体管和所述第二MOS晶体管的源极。
11.根据权利要求10所述的***，其中所述倍增器还包括：
差分扼流圈；
整流交错器，其耦合到所述差分扼流圈；以及
VCO，其耦合到所述整流交错器。
12.根据权利要求1所述的***，其中所述接收器电路还包括：
求和电路，其耦合到每一个收发器的所述接收路径；
放大器，其耦合到所述求和电路；
滤波器，其耦合到所述放大器；以及
数字化电路，其耦合到所述放大器。
13.根据权利要求12所述的***，其中所述本地振荡器信号还包括第一本地振荡器信号，并且其中所述本地振荡器生成第二本地振荡器信号，并且其中接收器电路还包括混频器，所述混频器耦合在所述求和电路和所述放大器之间，并且所述混频器接收所述第二本地振荡器信号。
14.一种相控阵列***，其包括：
本地振荡器，其包括：
相位检测器，其接收基准信号；
电荷泵，其耦合到所述相位检测器；
低通滤波器，其耦合到所述电荷泵；
本地振荡器VCO，其生成频率大于40GHz的第一本地振荡器信号；
多个分频器，其彼此串联耦合在所述本地振荡器VCO和所述相位检测器之间，以便向所述相位检测器提供从所述第一本地振荡器信号生成的反馈信号，其中所述多个分频器中的至少一个生成频率大于20GHz的第二本地振荡器；
计数器，其接收所述反馈信号和控制信号；以及
脉冲发生器，其接收所述第二本地振荡器信号，所述脉冲发生器耦合到所述计数器并且生成脉冲信号；
分发网络，其耦合到所述本地振荡器，以便至少分发所述第一本地振荡器信号；
多个收发器，其中每一个收发器具有辐射器、耦合到所述辐射器的发射路径以及耦合到所述辐射器的接收路径，其中所述辐射器被布置成阵列，并且其中每一个收发器的所述发射路径包括：
移相器，其耦合到所述分发网络，以便接收所述第一本地振荡器信号；
倍增器，其耦合到所述移相器，以便接收移相的第一本地振荡器信号；
ILVCO，其具有：
第一节点；
第二节点；
感性网络，其耦合在所述第一节点和所述第二节点之间；
容性网络，其耦合在所述第一节点和所述第二节点之间；
第一MOS晶体管，其在其源极或漏极处耦合到所述第一节点，并且在其栅极处耦合到所述第二节点；
第二MOS晶体管，其在其源极或漏极处耦合到所述第二节点，并且在其栅极处耦合到所述第一节点；
第三MOS晶体管，其并联耦合到所述第一MOS晶体管；
第四MOS晶体管，其并联耦合到所述第二MOS晶体管；以及
平衡/不平衡变换器，其耦合到所述倍增器以及所述第三MOS晶体管和所述第四MOS晶体管的栅极；
PA，其耦合到所述ILVCO以及其辐射器，并且所述PA接收所述脉冲信号；以及
接收器电路，其耦合到每一个所述收发器的所述接收路径。
15.根据权利要求14所述的***，其中所述PA还包括：
第一电容器，其接收来自所述ILVCO的输出；
第一电感器，其耦合到所述第一电容器；
第二电感器，其耦合到所述第一电感器；
第二电容器，其耦合到所述第二电感器；
第三电感器；
第五MOS晶体管，其在其栅极处耦合到所述第一电感器和所述第二电感器，并且所述第五MOS晶体管耦合到所述第三电感器；
第四电感器；
第五电感器；
第六MOS晶体管，所述第六MOS晶体管在其栅极处接收所述脉冲信号，并且所述第六MOS晶体管耦合在所述第四电感器和所述第五电感器之间；以及
第三电容器，其耦合在所述第三电感器和所述第五电感器之间。
16.根据权利要求15所述的***，其中所述接收器电路还包括：
求和电路，其耦合到每一个收发器的所述接收路径；
放大器，其耦合到所述求和电路；
滤波器，其耦合到所述放大器；以及
数字化电路，其耦合到所述放大器。
17.根据权利要求16所述的***，其中所述接收器电路还包括混频器，所述混频器耦合在所述求和电路和所述放大器之间，并且所述混频器接收所述第二本地振荡器信号。
18.一种相控阵列***，其包括：
多个辐射器，其被布置成形成阵列的模式；
本地振荡器，其生成本地振荡器信号和脉冲信号；
分发网络，其耦合到所述本地振荡器，以便至少分发所述本地振荡器信号；
多个发射路径，其中每一个发射路径耦合在所述分发网络和至少一个所述辐射器之间，并且其中每一个发射路径包括：
移相器，其耦合到所述分发网络以便接收所述本地振荡器信号；
倍增器，其耦合到所述移相器以便接收移相的本地振荡器信号；
ILVCO，其耦合到所述倍增器；以及
PA，其耦合到所述ILVCO并且接收所述脉冲信号；以及
多个接收路径，其中每一个接收路径耦合到至少一个所述辐射器；
接收器电路，其耦合到每一个接收路径；以及
控制器，其耦合到每一个移相器。
19.根据权利要求18所述的***，其中所述本地振荡器信号还包括第一本地振荡器信号，并且其中所述本地振荡器还包括：
PLL，其接收基准信号并且生成所述第一本地振荡器信号和第二本地振荡器信号；
计数器，其接收控制信号并且被耦合到所述PLL；以及
脉冲发生器，其耦合到所述计数器和所述PLL，其中所述脉冲发生器至少部分基于所述第二本地振荡器信号和来自所述计数器的输出而生成所述脉冲信号。
20.根据权利要求19所述的***，其中所述PLL还包括：
相位检测器，其接收所述基准信号；
电荷泵，其耦合到所述相位检测器；
低通滤波器，其耦合到所述电荷泵；
VCO，其耦合到所述低通滤波器；
放大器，其耦合到所述VCO；以及
多个分频器，其彼此串联耦合在所述VCO和所述相位检测器之间。
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