JP4800963B2 - 通信とレーダー用のモノリシックシリコンベース位相配列受信機 - Google Patents
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Description
本出願は、2003年11月13日に出願された、名称が、「通信とレーダー用のモノリシックシリコンベース位相配列受信機」の米国仮出願番号60/519715であって、内容が参照によって完全にここに組み込まれる出願の35 USC 119(e)による優先権を主張する。
ここでcは光速である。一般に、第1のアンテナ要素に到着する信号は
で定義される。ここで、A(t)、f(t)は、信号の振幅と位相で、wcはキャリア周波数である。k番目の要素で受信された信号は
で表現される。
として表現される。
で定義される。
で定義される。
で与えられる。
で定義される。従って、位相配列の出力でのSNRは、Fがノイズファクターで、n>Fの場合、位相配列の入力でのSNRより小さい場合すらありうる。与えられたNFに対して、n経路位相配列受信機は、デシベルで、単路位相配列のそれよりも、10*log(n)だけ大きな感度を持つ。例えば、8路位相配列受信機の感度は単路位相配列のそれよりも9dB大きい。
から選ばれた位相信号
である。N個の位相セレクタ451、452、453、....45Nー1、45Nのそれぞれは、N個のRFミキサー35iの異なる一つに繋がった位相セレクタであるが、局部発振器のM個の異なる位相
を独立に受信し、一つまたはそれ以上の制御信号に応じて、M個の位相
のうちの一つを選択し、繋がったRFミキサー35iに供給する。RFミキサー35iに送られた局部発振器の位相は局部発振器の任意の位相であって、従って、連続的に変化するかもしれないと理解されている。
から選ばれた位相信号
である。RFミキサー35iに送られた局部発振器の位相は局部発振器の任意の位相であって、従って、連続的に変化するかもしれないと理解されている。当該位相シフトは局部発振器の周波数で実行される。即ち、各RFミキサー35iは、繋がったIFミキサー55iへと送られるIF出力信号を生成するために、自身が受信するRF信号の位相をシフトし、自身が受信するRF信号の周波数をダウンコンバートする両方を行う。IFミキサー55iのそれぞれは、受信されたIF信号の周波数を、例えばベースバンド信号といった、より低い周波数の信号へとダウンコンバートし、ダウンコンバートされた信号を信号加算ブロック40へと送る。加算ブロック40によって生成された出力信号はアナログからデジタルへとADコンバータ75によって変換される。
である。RFミキサー35iに送られた局部発振器の位相は局部発振器の任意の位相であって、従って、連続的に変化するかもしれないと理解されている。当該位相シフトは局部発振器の周波数で実行される。即ち、各RFミキサー35iは、信号加算ブロック40に送られる、例えばベースバンドといった、より低い周波数信号を生成するために、自身が受信するRF信号の位相をシフトし、自身が受信するRF信号の周波数をダウンコンバートする両方を行う。従って、実施例80によって、RF信号のより低い周波数、例えばベースバンド信号、へのダウンコンバートは一つの混合段を用いて実行される。信号加算ブロック40は受信されたN個の例えばベースバンド信号を加算し、加算された信号をADコンバータ75へと供給する。
を生成し、生成された位相を位相選択ブロック120に送る。いくつかの実施形態では、生成された位相
のそれぞれは、差動で正信号と差動で負信号を持つ差動信号(示されていない)である。例えば、そういった実施形態では、位相信号
は一対の信号、すなわち、差動で正信号
と差動で負信号
を持つ。局部発振器の16個の生成された位相
は局部発振器の任意の位相であって従って連続的に変化するかもしれないと理解されている。
は電圧制御発振器202で生成される。16個の別個の位相の各々は、4ビット(22.5度)の未加工の位相分解能で提供される。図6は、隣接するアンテナ間隔がλ/2である8要素位相配列受信機100の相当する16個の配列パターンのシミュレーション結果を示す。図6から見て取れる通り、位相配列受信機100はビームを−90度から+90度まで運転することができ、運転のステップサイズは通常の方向で7.2度である。
の一つを選択するように適合された8個の位相セレクタ125を含むように適合されている。以下では、類似のコンポーネントの異なる事例は、代わりになるべき物として、異なるインデックスを持つ類似の参照番号で識別される。インデックスは参照番号の下付き文字として出現する。例えば、示された8個の位相セレクタの事例は1251、1252、1253....1258として識別される。代わりに、位相セレクタは参照番号125で識別されるかもしれない。16個の生成された位相
は位相セレクタ125iの各々に等しい振幅と遅延で適用される。
の一つを選び、出力として供給するように適応されている。位相選択情報(ビーム運転角)を含む位相配列受信機100の動作状態は標準のシリアルインターフェースを用いて連続的に位相選択シフトレジスタ145に取り込まれる。位相セレクタ1251は受信された16個の位相
の一つを選び、選択された位相を出力
として供給するとして示されている。同様に、位相セレクタ1252は出力信号
等を供給するとして示されている、等である。当該位相セレクタ125iによって提供される各出力信号
はRF混合ブロック130に配置された8個のRFミキサー135iの異なる一つに提供される。いくつかの実施形態では、選択された位相
の各々は、差動で正信号と差動で負信号を持つ差動信号である。例えば、そういった実施形態では、位相信号
は一対の信号、すなわち、差動で正信号
と差動で負信号
を持つ。
への独立なアクセスを提供する。
と
がやはりRFミキサー135iに繋がった位相セレクタ125iで受信される。従って、図9に示されている実施例では、位相
のそれぞれ、従って、位相
のそれぞれは差動信号と理解されている。LO位相シフトは、位相配列受信機100をRFミキサ135iのLOポートでの振幅変化に対し感度を低下させる。
一つの実験によると、位相配列100はIBM 7HP SiGe BiMOS技術で、120ギガヘルツのバイポーラfTと0.18マイクロメータのCMOSトランジスタで実装された。この技術は、チップ上のらせん形インダクタと高周波信号を送る伝送回線に用いられた4マイクロメータ厚の表面アナログ金属と一体となった5金属層を提供する。位相配列受信機の金型顕微鏡写真が図14に示されている。この実験におけるチップのサイズは3.3x3.5mm2である。
Claims (59)
- N要素位相配列受信機であって、
それぞれが局部発振器の任意の位相を選択し、前記選択された位相を出力信号として供給するように適合されたN個の位相セレクタと、
それぞれがN個の前記位相セレクタの異なる一つに繋がっていて、繋がっている位相セレクタが供給する出力信号を受信するように適合されたN個の第1のミキサとを備え、
前記N個の第1のミキサはさらにN個の受信アンテナの異なる一つで受信されたRF信号を受信し、及び、前記受信されたRF信号の位相に対してシフトされた位相と前記受信されたRF信号の周波数より低い周波数とを持つ出力信号を生成するように適合されており、
前記N要素位相配列受信機はさらに、入力制御信号を受信し、前記N個の位相セレクタに出力制御信号を供給するように設定されたシフトレジスタを備える、
ことを特徴とするN要素位相配列受信機。 - 前記局部発振器の任意の位相のそれぞれが前記局部発振器のM個の生成された位相の中から選ばれる、ことを特徴とする請求項1に記載のN要素位相配列受信機。
- 加算された信号を生成するために、前記N個の第1のミキサで生成された前記N個の出力信号を受信して加算するように適合された加算ブロックをさらに備え、前記加算ブロックは中間周波数(IF)で動作するように適合されている、ことを特徴とする請求項1に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記N個のアンテナの異なる一つと前記N個の第1のミキサの異なる一つに繋がったN個の低雑音増幅回路をさらに備え、各低雑音増幅回路は繋がったアンテナで受信されたRF信号を受信し、増幅されたRF信号を繋がったRFミキサに提供するように適合されている、ことを特徴とする請求項1に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記加算ブロックが、加算された電流信号を生成するために、電流信号であるN個の信号を加算するように適合されている、ことを特徴とする請求項3に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記加算ブロックが、加算された電圧信号を生成するために、電圧信号であるN個の信号を加算するように適合されている、ことを特徴とする請求項3に記載のN要素位相配列受信機。
- 加算されて増幅された信号を生成するために前記加算された信号を受信し、増幅するように適合された増幅器をさらに備え、前記増幅器はIFで動作するように適合されている、ことを特徴とする請求項3に記載のN要素位相配列受信機。
- 受信されたRF信号を象徴する第1の信号を生成するために、前記加算された信号と前記局部発振器の第1の分割された位相を受信するように適合された第2のミキサ、をさらに備えることを特徴とする請求項3に記載のN要素位相配列受信機。
- 受信されたRF信号を象徴する第2の信号を生成するために、前記加算された信号と前記局部発振器の第2の分割された位相を受信するように適合された第3のミキサをさらに備え、前記局部発振器の前記第1と第2の分割された位相は、お互いに対して90度位相がずれている、ことを特徴とする請求項8に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記局部発振器のM個の生成された位相のそれぞれが差動信号である、ことを特徴とする請求項2に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記N個の第1のミキサのそれぞれで生成された出力信号が差動信号である、ことを特徴とする請求項10に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記加算された信号が差動信号である、ことを特徴とする請求項11に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記加算されて増幅された信号が差動信号である、ことを特徴とする請求項7に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記加算された信号が差動信号で、前記局部発振器の前記第1と第2の分割された位相のそれぞれが差動信号で、及び、受信されたIF信号を象徴する前記第1と第2の信号のそれぞれが差動信号である、ことを特徴とする請求項9に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記N個の低雑音増幅回路のそれぞれに受信されたRF信号が差動RF信号である、ことを特徴とする請求項4に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記局部発振器信号の周波数を分割し、前記局部発振器の前記第1と第2の分割された位相を供給するように適合された周波数分割ブロック、をさらに備えることを特徴とする請求項9に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記局部発振器のM個の位相を生成するように適合されたM個の位相発振器、をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記局部発振器の前記M個の位相を生成するように適合された位相ロックループをさらに備え、前記位相ロックループが、電圧制御発振器、ループフィルター、チャージポンプ、位相/周波数検出器、4分割回路、及び64分割回路を含む、ことを特徴とする請求項1に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記局部発振器信号が、75メガヘルツの周波数を持つ参照クロック信号にロックするように適合されて19.2ギガヘルツの周波数を持つ、ことを特徴とする請求項1に記載のN要素位相配列受信機。
- 低雑音増幅回路のそれぞれがインダクタ変性エミッタ接地増幅器を含み、高い利得と低い雑音を提供するように適合されている、ことを特徴とする請求項4に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記加算回路が対称的なバイナリーツリー電流加算回路を含む、ことを特徴とする請求項3に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記N個の第1のミキサのそれぞれが、シングルエンドの受信されたRF信号を、より低い周波数の差動信号にダウンコンバートするように適合されたギルバート二重平衡乗積器を含む、ことを特徴とする請求項1に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記RF信号が24ギガヘルツの周波数を持ち、ダウンコンバートされた信号が4.8ギガヘルツの周波数を持つ、ことを特徴とする請求項22に記載のN要素位相配列受信機。
- 各低雑音増幅回路が、自身が繋がった第1のミキサの入力にインピーダンスマッチされた出力を持つ、ことを特徴とする請求項4に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記M個の位相発振器がM個のCMOSリング電圧制御発振器を含む、ことを特徴とする請求項17に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記Nが8と等しく、前記Mが16と等しい、ことを特徴とする請求項1に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記位相配列が一つのセミコンダクタ基板に形成された、ことを特徴とする請求項9に記載のN要素位相配列受信機。
- 加算された信号を生成するために前記N個の第1のミキサによって生成されたN個の出力信号を受信して加算するように適合された加算ブロックをさらに備え、前記加算ブロックがベースバンド周波数で動作するように適合されている、ことを特徴とする請求項1に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記受信されたRF信号を象徴する第1の信号を生成するために、前記加算された信号と前記局部発振器の第1の位相を受信するように適合された第2のミキサ、をさらに備えることを特徴とする請求項3に記載のN要素位相配列受信機。
- 前記受信されたRF信号を象徴する第2の信号を生成するために、前記加算された信号と前記局部発振器の第2の位相を受信するように適合された第3のミキサをさらに備え、前記局部発振器の第1と第2の位相はお互いに対して90度位相がずれている、ことを特徴とする請求項29に記載のN要素位相配列受信機。
- 局部発振器の任意のN個の位相を受信し、
それぞれが位相と周波数を持つN個のRF信号を受信し、
前記N個のRF信号のそれぞれの位相を、前記局部発振器の任意のN個の異なる位相の一つに従ってシフトし、
N個の第1の信号で、それぞれが前記RF周波数よりも低い周波数と前記N個の位相がシフトされたRF信号の異なる位相の一つを持つものを生成するために、前記受信されたN個のRF信号のそれぞれの周波数を下げ、
シフトレジスタに加えられた制御信号に応じて、前記局部発振器のM個の生成された位相からN個の任意の位相のそれぞれを選択すること、
を特徴とする方法。 - 前記局部発振器の任意のN個の位相のそれぞれが前記局部発振器のM個の生成された位相の中から選ばれている、ことを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 加算された信号を生成するために、前記N個の第1の信号を中間周波数(IF)で加算することをさらに備えることを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 前記N個の受信されたRF信号を増幅し、
前記局部発振器のN個の任意の位相と前記N個の増幅されたRF信号と受け取ることに応じて、N個の第1の信号を生成すること、
をさらに備えることを特徴とする請求項31に記載の方法。 - 前記N個の第1の信号が電流信号で、前記加算された信号が電流信号である、ことを特徴とする請求項33に記載の方法。
- 前記N個の第1の信号が電圧信号で、前記加算された信号が電圧信号である、ことを特徴とする請求項33に記載の方法。
- 加算されて増幅された信号を生成するために前記加算された信号を中間周波数で増幅すること、をさらに備えることを特徴とする請求項33に記載の方法。
- 前記加算された信号と前記局部発振器の第1の分割された位相に応じて、受信されたRF信号を象徴する第1の信号を生成すること、をさらに備えることを特徴とする請求項33に記載の方法。
- 前記加算された信号と前記局部発振器の第2の分割された位相に応じて、前記受信されたRF信号を象徴する第2の信号を生成し、前記局部発振器の第1と第2の分割された位相はIF信号で、お互いに対して90度位相がずれている、ことを特徴とする請求項38に記載の方法。
- 前記局部発振器のM個の生成された位相のそれぞれが差動信号である、ことを特徴とする請求項32に記載の方法。
- 前記N個の第1の信号のそれぞれが差動信号である、ことを特徴とする請求項40に記載の方法。
- 前記加算された信号が差動信号である、ことを特徴とする請求項41に記載の方法。
- 前記加算されて増幅された信号が差動信号である、ことを特徴とする請求項37に記載の方法。
- 前記加算された信号が差動信号で、前記局部発振器の第1と第2の分割された位相のそれぞれが差動信号で、及び、前記受信されたIF信号を象徴する第1と第2の信号のそれぞれが差動信号である、ことを特徴とする請求項39に記載の方法。
- 前記N個の受信されたRF信号が差動RF信号である、ことを特徴とする請求項34に記載の方法。
- 前記局部発振器の第1と第2の分割された位相を生成するために、前記局部発振器信号の周波数を分割すること、をさらに備えることを特徴とする請求項39に記載の方法。
- 前記局部発振器がM位相局部発振器である、ことを特徴とする請求項27に記載の方法。
- 前記M個の位相が、電圧制御発振器、ループフィルター、チャージポンプ、位相/周波数検出器、4分割回路、及び64分割回路、をさらに備える位相ロックループから成る、ことを特徴とする請求項27に記載の方法。
- 前記局部発振器信号が、75メガヘルツの周波数を持つ参照クロック信号にロックするように適合されて、19.2ギガヘルツの周波数を持つ、ことを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 前記N個の受信されたRF信号のそれぞれが低雑音増幅回路で増幅され、各低雑音増幅回路がフィードスルー抵抗を持つインダクタ変性エミッタ接地増幅器をさらに備え、高い利得と低い雑音を提供するように適合されている、ことを特徴とする請求項34に記載の方法。
- 前記N個の第1の信号を対称的なバイナリーツリー電流加算回路を用いて加算すること、を特徴とする請求項33に記載の方法。
- 前記N個の第1の信号が、それぞれが、シングルエンドの受信されたRF信号を、より低い周波数の差動信号にダウンコンバートするように適合されたギルバート二重平衡乗積器から成るN個のミキサの異なるもので生成されている、ことを特徴とする請求項50に記載の方法。
- 前記RF信号が24ギガヘルツの周波数を持ち、ダウンコンバートされた信号が4.8ギガヘルツの周波数を持つ、ことを特徴とする請求項52に記載の方法。
- 各低雑音増幅回路が、自身が繋がったN個のミキサの内の一つの入力にインピーダンスマッチされた出力を持つ、ことを特徴とする請求項52に記載の方法。
- 前記M個の位相発振器がM個のCMOSリング電圧制御発振器から成る、ことを特徴とする請求項47に記載の方法。
- 前記Nが8と等しく、前記Mが16と等しい、ことを特徴とする請求項32に記載の方法。
- 加算された信号を生成するために前記N個の第1の信号をベースバンド周波数で加算すること、をさらに備えることを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 前記受信されたRF信号を象徴する第1の信号を、前記加算された信号と前記局部発振器の第1の位相に応じて生成すること、をさらに備えることを特徴とする請求項33に記載の方法。
- 受信されたRF信号を象徴する第2の信号を、前記加算された信号と前記局部発振器の第2の位相に応じて生成し、前記局部発振器の第1と第2の位相はお互いに対して90度位相がずれている、ことを特徴とする請求項58に記載の方法。
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