具有功率傳感器校準的RF前端的製作方法
2023-10-17 20:31:54 2
本發明的實施例涉及RF接收器和發射器的領域。特別涉及RF前端，該RF前端可以被用在例如集成雷達收發器中。
背景技術：
射頻（RF）發射器和接收器可以在眾多應用中被找到，特別是在無線通信和雷達傳感器的領域中被找到。在汽車行業中，存在對於使用在所謂的「自適應巡航控制」（ACC）或「雷達巡航控制器」系統中的雷達傳感器的日益增加的需求。這樣的系統可以用於自動調節機動車的速度，以便維持與前方的其它機動車（和與其它物體以及與行人）的安全距離。
現代雷達系統利用高度集成的RF電路，其可以合併雷達收發器的RF前端的全部核心功能在一個單個封裝（單個晶片雷達收發器）中，該單個封裝通常稱為MMIC（單片微波集成電路）。這樣的RF前端通常尤其包括電壓控制振蕩器（VCO）、功率放大器（PA）、定向耦合器、混頻器和模擬數字轉換器（ADC），以及用於控制和監視RF前端的相應控制電路。使用在機動車中的雷達應用經受關於道路交通安全的各種標準，例如題為「道路車輛——功能安全（Road vehicles – Functional safety）」的功能安全標準ISO 26262。為了確保雷達傳感器的功能安全和/或遵守法定規則，RF前端應當以定義明確的操作參數進行操作。
例如，RF前端應當提供具有定義的輸出功率的RF輸出信號（例如要供給到一個或多個天線的發射信號），以便實現所期望的傳感器性能。另外，在RF前端的操作期間不應當超過最大輸出功率，以便遵守法定規則。而且，發射信號的輸出功率還應當不低於最小輸出功率，以便確保雷達傳感器的可靠操作。為了遵守功能安全標準，MMIC應當具有例如當RF輸出功率不在所指定的限制內時檢測雷達傳感器的故障的能力。因此，存在測量RF前端中的RF信號路徑中的功率的需要。然而，可用的功率感測電路（功率傳感器）具有差的精度並且因而當前在RF前端的設計中和在生產測試期間考慮相當寬的保護頻帶，以便確保不離開所期望的操作範圍。寬的保護頻帶導致對應高數目的有缺陷的產品和相應的成品率損失。因此，存在改進集成RF前端中的功率感測的精度的需要。
技術實現要素：
本發明的一個示例性實施例涉及包括針對RF信號的至少一個RF信號路徑和至少一個功率傳感器的電路，所述至少一個功率傳感器耦合到RF信號路徑並且配置成生成表示在電路的正常操作期間的RF信號的功率的傳感器信號。電路還包括用於在電路的校準操作期間接收RF測試信號的電路節點。電路節點耦合到至少一個功率傳感器，使得除了RF信號以外或可替換於RF信號，至少一個功率傳感器接收RF測試信號並且生成如表示RF測試信號的功率的傳感器信號。
另一示例性實施例涉及包括MMIC和自動測試裝置（ATE）的系統。MMIC包括針對RF信號的至少一個RF信號路徑、耦合到RF信號路徑的至少一個功率傳感器、以及用於接收RF測試信號的電路節點。功率傳感器配置成接收測試信號並且提供表示測試信號的功率的傳感器信號。ATE配置成生成RF測試信號並且將RF測試信號饋送到電路節點中。
而且，另外的示例性實施例涉及用於校準包括在MMIC中的一個或多個功率傳感器的方法。方法包括生成具有所期望的功率的RF測試信號。RF測試信號被饋送至電路節點，該電路節點耦合到包括在MMIC中的至少一個功率傳感器。因此，功率傳感器提供表示RF測試信號的功率的相應傳感器信號。而且，方法包括基於所期望的功率和相應傳感器信號計算至少一個校準參數，以及將（一個或多個）校準參數存儲在存儲器中。
附圖說明
可以參照以下描述和附圖來更好地理解本發明。圖中的部件未必成比例，而是將重點放在說明本發明的原理上。而且，在圖中，相同的參考標號指定對應的部分。在附圖中，
圖1示出圖示了RF收發器晶片的接收路徑的基本結構的框圖；
圖2是圖示了單基地雷達收發器晶片中的接收/發射路徑的框圖；
圖3圖示了雷達收發器的RF前端中的功率傳感器的使用；
圖4示出例如集成在圖3的RF前端中的功率傳感器的校準的框圖；以及
圖5示出圖示了用於校準使用在集成於MMIC中的RF前端中的功率傳感器的示例性方法的流程圖。
具體實施方式
以下在雷達收發器（雷達傳感器）的上下文中討論本發明的實施例。然而，應當指出的是，本發明還可以被應用在與雷達不同的應用諸如例如RF通信設備的RF收發器中。
所謂的「單個晶片雷達」可以包括在一個晶片中提供用於距離和/或速度測量所需要的核心功能的電路（單片微波集成電路，MMIC）。因此，晶片可以尤其包括RF振蕩器、放大器、混頻器、濾波器、模擬數字轉換器和數位訊號處理器。圖1圖示了如例如使用在雷達距離測量設備（雷達傳感器）中的RF接收器（或RF收發器的接收路徑）。相應地，RF收發器/接收器1包括被供給有RF輸入信號SRX和RF振蕩器信號SLO的混頻器10，混頻器10用於將RF輸入信號SRX下變頻為基帶或中頻（IF）帶。RF輸入信號SRX可以由天線（在圖1中未示出）提供並且可以在被供給到混頻器10之前被預放大（參見RF放大器12）。在本示例中，RF振蕩器信號SLO由本機振蕩器（LO）11生成，本機振蕩器（LO）11可以包括耦合在鎖相環路（PLL）中的電壓控制振蕩器（VCO）。然而，RF振蕩器信號SLO可以取決於實際應用而由其它電路提供。在雷達應用中，本機振蕩器信號SLO通常被頻率調製以實施所謂的調頻連續波（FMCW）雷達傳感器。當使用在雷達距離測量設備中時，RF振蕩器信號SLO可以在近似24 GHz和77 GHz之間的範圍中（在本示例中為77 GHz）。然而，更高或更低的頻率也可以是適用的。
如所提到的，混頻器10將RF輸入信號SRX』（經放大的天線信號）下變頻為基帶（或IF帶）。相應基帶信號（混頻器輸出信號）由SBB標註。基帶信號SBB然後經受模擬濾波（濾波器13）以抑制所不期望的邊帶或鏡像頻率。濾波器13可以是低通濾波器或帶通濾波器。經濾波的基帶信號（濾波器輸出信號）由SBB』標註。利用混頻器將RF輸入信號下變頻為基帶或IF帶的接收器同樣地已知為外差接收器並且因而不更加詳細地進行進一步討論。經濾波的基帶信號SBB』然後被採樣並且轉換成數位訊號SRXDIG（模擬數字轉換器14），然後在數字域中使用數位訊號處理（例如通過數位訊號處理器15實現）對數位訊號SRXDIG進行進一步處理。在下變頻為IF帶的情況下，IF信號還可以被數位化以用於IF信號的數字解調。可以使用例如運行適當軟體指令的數位訊號處理器來執行數位訊號處理。
圖1圖示了RF接收器或收發器的接收路徑。在所謂的雙基地或偽單基地雷達系統中，接收器可以與發射器分離，因為接收器和發射器使用分離的天線。圖2圖示了RF收發器（組合的接收器和發射器），RF收發器可以被用在其中相同的天線用於發射和接收RF信號的單基地雷達系統中。圖2的收發器包括定向耦合器22，其耦合在混頻器10與天線20之間並且配置成引導由天線20接收的RF信號SRX到混頻器10（接收路徑）。而且，定向耦合器22配置成引導RF振蕩器信號SLO（經功率放大器23放大）到天線20，天線20發射相應電磁雷達信號。除定向耦合器22之外，接收路徑（放大器12、混頻器10、濾波器13、模擬數字轉換器14、信號處理器15）與在圖1中的相同並且因而在此不重複相應描述。
定向耦合器22可以被實施為由帶狀線形成的環形波導耦合器。然而，可以使用其它類型的定向耦合器（例如環形器）。特別地，當使用環形波導耦合器時，耦合器的一個埠由終端阻抗21終止。定向耦合器22可以被實施在與收發器的其它電路部件相同的晶片封裝中，以提供單個晶片解決方案。必須要指出的是，圖1和2的框圖僅表示RF外差收發器的主要設置。實際實施方式當然更複雜得多。然而，圖1和2的圖示足以用於本討論和本文所描述的實施例的功能的理解。
在許多應用中，可能要求或合期望的是測量RF收發器的RF前端的各種部分中（例如在接收路徑中、在發射路徑中、在混頻器參考輸入處等）的RF功率。如以上提到的，在用於確保遵守產品規範和法定規則（質量控制）的設備的生產測試期間以及在設備的規則操作期間可能需要關於RF功率的信息。為了使得能夠實現可測試性，RF功率傳感器被提供在RF收發器晶片的各種部分中。即，功率傳感器被包括在RF電路設計中，作為「可測試性設計」（DFT）特徵。如所提到的，功率傳感器可以不僅用於生產測試，而且用於允許RF前端的操作期間的功率監視。為此目的，從一個或多個功率傳感器獲取的信息可以在MMIC的專用終端（例如輸出管腳）處被提供為數字或模擬信號。
例如，二極體可以用作RF功率傳感器。二極體對於該目的是有用的，因為它們可以容易地被包括在MMIC中，MMIC包括RF前端。作為功率傳感器（還稱為功率檢測器）的二極體同樣地是已知的並且因而在此不更加詳細地進行進一步討論。一般地，二極體用於對入射RF信號進行整流，其中二極體操作在其平方律區中以生成與RF信號的功率近似成比例的信號。為了將二極體RF功率傳感器的動態範圍擴展超出平方律區，可以使用線性校正電路或多個二極體堆。功率傳感器可以直接連接到RF信號路徑，在RF信號路徑中要測量RF功率。可替換地，定向耦合器或功率分配器可以用於將功率傳感器耦合到RF信號路徑。可以使用帶狀線容易地實施合適的定向耦合器，該帶狀線可以形成在MMIC的金屬化層中。
可以與形成RF收發器的RF前端的電路一起集成的簡單二極體傳感器具有有限的絕對精度。為了改進功率感測的精度，使用測試信號來校準功率傳感器，測試信號具有定義的功率。測試信號可以通過信號發生器電路片上生成，信號發生器電路同樣集成在與RF前端相同的晶片中。然而，也可以使用的外部測試信號發生器。在該情況下，可以例如通過使用針形探頭供給測試信號到晶片的測試管腳或者測試焊盤（例如針形接觸點）。測試信號可以具有與RF信號相同或類似的頻率（例如77 GHz或24 GHz），在正常操作期間要監視RF信號的功率。然而，情況不一定是這樣。測試信號可以具有低於在操作期間的RF信號的頻率的頻率。
圖3是圖示了圖2的雷達收發器的RF前端的框圖，其中已經省略數字後處理部分。除了圖3的示例之外，RF前端包括分別使用定向耦合器31和35耦合到RF信號路徑的功率傳感器32和36。除了附加功率傳感器和相應耦合器之外，圖3的電路等同於圖2的電路，並且以上進一步參照相應描述。取決於功率傳感器32和36的實際實施方式，可以省略耦合器31和35並且耦合器31和35因而是可選的。在該情況下，功率傳感器在沒有介入耦合器的情況下直接連接到相應RF信號路徑。
由功率傳感器32和36提供的輸出信號的水平表示相應RF信號路徑中的當前RF功率水平。在本示例中，輸出信號P1表示混頻器10的參考輸入處的振蕩器信號的RF功率。類似地，輸出信號P2表示混頻器10的RF輸入處入射的經放大的天線信號的RF功率。在RF前端的其它部分中可以包括附加功率傳感器。在大多數應用中，功率傳感器32,36的輸出信號P1，P2將是電壓信號，其可以被數位化以用於在數字域中的進一步處理。
圖4是圖示了使用具有定義的功率水平的RF測試信號STEST的功率傳感器（例如如圖3中圖示的功率傳感器32）的校準的框圖。圖4圖示了定向耦合器31，耦合器31將功率傳感器32與RF信號路徑耦合，在RF信號路徑中要測量RF功率。如以上參照圖3提到的，耦合器31可以取決於實際實施方式是可選的。出於傳感器校準的目的，功率傳感器32與晶片焊盤40耦合，晶片焊盤40配置成在生產測試期間與針形探頭41接觸。一般地，晶片焊盤40是接收測試信號STEST的電路節點。針形探頭41用於經由晶片焊盤42將RF測試信號STEST饋送到功率傳感器32中，其中測試信號STEST具有RF信號功率，其可以被設置成一個或多個定義的水平。可以利用外部測試裝置60生成測試信號。可替換地，可以使用片上信號發生器（在該情況下不需要針形探頭41）。在校準期間，功率傳感器32測量RF測試信號STEST的功率並且提供表示信號STEST的即時功率水平的相應傳感器信號P1。可以使用模擬數字轉換器（ADC）45數位化傳感器輸出信號P1，並且可以將結果得到的數字傳感器信號P1,DIG提供到控制器單元50（其還可以包括數位訊號處理器15，參見圖1）。
控制器單元50可以配置成傳送數字傳感器信號P1,DIG回到測試裝置，使得可以取決於測試信號STEST和相應傳感器輸出信號P1,DIG的已知功率水平而計算校準參數。校準參數可以被傳送回到控制器單元50並且被存儲在存儲器51中。在雷達傳感器的正常操作期間，所存儲的校準參數可以由控制器單元50使用來校正對應傳感器輸出信號P1，P2，並且因而改進功率測量結果的精度。
如果關於測試信號STEST的功率水平的信息在控制器單元50中可用，則校準參數可以由控制器單元50計算而不是在測試裝置60中計算。而且，如果片上生成測試信號STEST，則不需要外部測試裝置並且可以在RF收發器的壽命期間以特定時間間隔或者定期重複校準。相應地，可以通過定期更新校準參數來補償功率傳感器的傳感器特性的漂移。
圖5示出圖示了可以使用圖4的系統實現的一個示例性校準方法的流程圖。相應地，使用自動測試裝置（例如圖4中的測試裝置60）來校準包括在MMIC中的功率傳感器（例如圖4中的功率傳感器32）。在本示例中，生成具有所期望的功率的RF測試信號（步驟71）。將RF測試信號饋送至耦合到包括在MMIC中的至少一個功率傳感器的電路節點（步驟73）。作為結果，功率傳感器提供表示RF測試信號的功率的相應傳感器信號（參見圖4，傳感器信號P1），並且可以基於所期望的功率和相應傳感器信號來計算至少一個校準參數（步驟73）。（一個或多個）校準參數然後可以被存儲在存儲器中（步驟74，參見圖4，存儲器51）。
雖然已經描述了本發明的各種實施例，但是對本領域普通技術人員將明顯的是，在本發明的範圍內，多得多的實施例和實施方式是可能的。相應地，除了鑑於隨附權利要求及其等同物之外，本發明不受限制。關於由以上描述的部件或結構（組件、設備、電路、系統等）執行的各種功能，用於描述這樣的部件的術語（包括對「構件」的引用）意圖對應於（除非以其它方式指示）執行所描述的部件的指定功能的任何部件或結構（即，其在功能上等同），即使在結構上不等同於執行本文中所說明的本發明的示例性實施方式中的功能的所公開的結構。