CN110109082A - 一种共天线的太赫兹主动雷达成像阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种共天线的太赫兹主动雷达成像阵列，包括设在本地振荡器一侧的能在接收和\或发射模式下工作的天线阵列，通过控制构成天线阵列的阵元的共用天线的发射链路或接收链路的偏置电压从而实现在接收模式、发射模式以及完成收发功能的发射‑接收工作模式的切换，从而使所述天线阵列分别可作为发射阵列、接收阵列和收发阵列三种模式来进行使用。本发明在不改变成像规模和不影响发射链路与接收链路正常工作的前提下，降低天线阵列的使用个数，提高芯片面积的利用率并降低加工成本。

Description

一种共天线的太赫兹主动雷达成像阵列
技术领域
本发明涉及太赫兹成像技术领域，特别是涉及一种共天线的太赫兹主动雷达成像阵列，特别是一种太赫兹雷达成像阵列收发链路共用天线的架构。
背景技术
太赫兹波是电磁波谱上介于微波与红外光之间的电磁波，其频率在0.1～10THz左右，波长对应3mm～30μm。太赫兹技术是目前信息科学技术研究的前沿与热点领域之一，近几年来，受到世界各国研究机构的广泛关注。由于太赫兹频率高，具有很高的时域频谱信噪比，并且不同的物体吸收太赫兹频率各不相同，产生不同的频谱特性。因此，太赫兹技术被越来越多地应用在成像领域，实现对物体高精度的检测。
在太赫兹成像***的设计中，考虑到成像阵列的规模比较大，为了满足低成本和应用的需求，基于半导体工艺的太赫兹收发机芯片在未来的产品应用上的优势越来越明显。在基于半导体工艺实现太赫兹成像***过程中，因为工艺特性和太赫兹频率的特点，在设计的过程中面临着很多的问题，比如：趋肤效应、互联线、寄生参数、传输损耗大等。因此在设计基于半导体工艺的太赫兹芯片时，难度非常大，在设计的过程需要进行一步步的验证，并且在测试的过程中能够对每个链路的性能进行正确的评估，若出现问题需要快速对有问题的模块进行定位。同时，为了满足实际应用需求，成像芯片需要多个收发模块组成阵列，共同完成成像的任务。在传统的时分双工(Time Division Duplexing，简称“TDD”)太赫兹成像阵列实现的过程中，存在着收发耦合严重，隔离有限，同一时刻发射天线阵和接收天线阵只有一个进行工作。但是这样会因为收发天线阵的同时存在占用大量的芯片面积，大大增加流片加工的成本以及设计的风险。
综上所述，为了解决传统的TDD的太赫兹成像阵列中存在的问题，减小相同阵列的面积，就必须提出一种新的太赫兹雷达成像架构提高成像阵列芯片面积的利用率，并能够降低加工成本的新的成像阵列架构。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种共天线的太赫兹主动雷达成像阵列。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种共天线的太赫兹主动雷达成像阵列，包括设在本地振荡器一侧的能在接收和\或发射模式下工作的天线阵列，通过控制构成天线阵列的阵元的共用天线的发射链路或接收链路的偏置电压从而实现在接收模式、发射模式以及完成收发功能的发射-接收工作模式的切换，从而使所述天线阵列分别可作为发射阵列、接收阵列和收发阵列三种模式来进行使用。
所述天线阵列包括多个能在接收和\或发射模式下工作的阵元，多个所述阵元间相连接，每个所述阵元的天线为可重构天线，所述可重构天线分别连接接收电路与发射电路；所述接收电路与发射电路分别连接控制发射链路或接收链路开关状态的偏置电路。
所述本地振荡器的相邻的两个振荡器之间、在水平和垂直方向上分别引入移相器，实现差分控制分别来改变阵列上行和列的相位，用来调整本地振荡器的相位和频率，从而实现阵列中不同位置处本地振荡器的相位同步与提取，完成整个太赫兹阵列的主动成像。
本发明提出的太赫兹收发共用天线阵列的主动雷达成像架构，在不改变成像规模的前提下，将传统TDD成像芯片中的收发阵列进行有效优化，通过收发天线阵列共用的思想，采用一个天线阵列既能满足发射阵列链路的需求又能满足接收阵列链路的需求。
其中，天线阵列中的阵元的天线为可重构天线，通过结合可重构天线和控制发射链路或接收链路的偏置电压从而实现不同的模式的切换。
通过收发阵列链路通过共用一个天线阵列，在不改变阵列规模的前提下，这样大大提高了芯片面积的利用率并降低加工成本，芯片面积降低40％，成本也降低40％；
同时还可通过偏置电压控制作为发射机、接收机或者收发机这三种模式中的任意一种进行工作，大大增加了芯片的可实用性，满足多种应用场景的需求。
另外，本发明基于半导体工艺，便于与后端电路集成，易于实现大规模量产，进而进一步的降低后续产品开发的成本。
附图说明
图1-2是传统的TDD的雷达收发阵列以及阵元的结构示意图；
图3-4是本发明太赫兹共天线主动雷达成像阵列及阵元的结构示意图；
图5a-5c是本发明成像阵列的阵元的收发实现方式的示意图；
图6是本发明提出的控制阵列振荡器同步示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图,以阵列规模为4×4为例，对本发明作进一步说明。
图1-2为传统的TDD的太赫兹雷达成像结构，发射的天线阵列位100于本地振荡器300的左边，接收的天线阵列位200于本地振荡器的右边。其中，发射的天线阵列位100的阵元10由发射天线1及发射(Transmitter,简称“Tx”)电路构成，而接收的天线阵列位200由接收天线及接收(Receiver,简称“Rx”)电路构成。两个天线阵列同时存在，占用了大量的芯片面积。增加了加工成本，同时也增加了设计的复杂度。
本发明提供的共天线的太赫兹主动雷达成像阵列，都是基于半导体工艺来进行实现和设计。针对图1-2所示进行改进，将发射链路和接收链路的天线进行共用，如图3-4所示，整个芯片上设置天线阵列110，一侧为本地振荡器310，天线阵列110可分别作为发射阵列、接收阵列和收发阵列三种模式进行使用。
其中，天线阵列110中的阵元11通过收发链路12相连接，阵元11包括收到天线3和连接收发天线的收发机(Transceiver,简称“TRx”)电路4，该TRx电路包括Tx电路41以及Rx电路42，它们共同组成了一个天线阵列110的阵元11。每一个天线阵列110的阵元11的组成如图5a-5c所示,偏置电路A为Tx电路的正常工作提供偏置，偏置电路B为Rx电路的正常工作提供偏置。图5a是基于重构天线组成的阵元结构。
本发明中，通过控制阵元的发射链路或者接收链路的偏置电路的状态实现对整个芯片工作状态的设置。当偏置电路A和B分别处于开和关的状态，芯片处于发射模式，如图5b所示；当偏置电路A和B分别处于关和开的状态，芯片处于接收模式，如图5c所示；当以一个特定的频率对偏置电路A和偏置电路B的开关状态进行快速切换，芯片可在发射和接收模式下进行快速地切换，完成整个的收发功能。
在图6中，为了保证阵列的正常工作，在相邻的两个振荡器之间引入移相器(PhaseShifter，简称“PS”)，用来调整振荡器的相位和频率从而实现阵列中不同位置处振荡器的相位同步。具体同步原理以下将结合二维阿德勒方程来进行说明。如式1所示。
式(1)中，ω0代表振荡器的初始频率，k为常数，代表同一列(行)相邻两个振荡器本身的相位差，ψcol(ψrow)代表每一列(行)相邻两个振荡器之间的移相器产生的相位变化，ω代表振荡器最终的角频率。
由式(1)可知，阵列中的每个元件的相位和频率与相邻的元件有关。如果行列上的所有的耦合相位(ψrow和ψcol)均等变化，振荡器的锁定频率将发生变化，但是相位保持不变。比如，当所有耦合的相位等量增加，振荡器的频率将会降低以保证振荡器的相位差保持常数。另一方面，如果以差分的形式(±ψrow/±ψcol)改变振荡器之间的耦合移相器，相邻振荡器的相对相位将会改变但是频率不变。
因此，通过在水平和垂直方向上引入移相器实现差分控制分别来改变阵列上行和列的相位，进而可以实现整个阵列振荡器的相位同步与提取，完成整个太赫兹阵列的主动成像。
本发明从成像***阵列规模带来的面积和加工成本的角度考虑，创新性地提出采用一个天线阵列同时满足发射和接收的要求，在不改变成像规模和不影响发射链路与接收链路正常工作的前提下，降低天线阵列的使用个数，提高芯片面积的利用率并降低加工成本，实现太赫兹主动雷达成像阵列的设计。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种共天线的太赫兹主动雷达成像阵列，其特征在于，包括设在本地振荡器一侧的能在接收和\或发射模式下工作的天线阵列，通过控制构成天线阵列的阵元的共用天线的发射链路或接收链路的偏置电压从而实现在接收模式、发射模式以及完成收发功能的发射-接收工作模式的切换，从而使所述天线阵列分别可作为发射阵列、接收阵列和收发阵列三种模式来进行使用。
2.如权利要求1所述共天线的太赫兹主动雷达成像阵列，其特征在于，所述天线阵列包括多个能在接收和\或发射模式下工作的阵元，多个所述阵元间相连接，每个所述阵元的天线为可重构天线，所述可重构天线分别连接接收电路与发射电路；所述接收电路与发射电路分别连接控制发射链路或接收链路开关状态的偏置电路。
3.如权利要求1所述共天线的太赫兹主动雷达成像阵列，其特征在于，所述本地振荡器的相邻的两个振荡器之间、在水平和垂直方向上分别引入移相器，实现差分控制分别来改变阵列上行和列的相位，用来调整本地振荡器的相位和频率，从而实现阵列中不同位置处本地振荡器的相位同步与提取，完成整个太赫兹阵列的主动成像。
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