一种基于级联相控的毫米波频率源阵列及无线输能设备

技术领域

本发明涉及电子系统的无线输能技术和雷达技术领域，尤其涉及一种基于级联相控的毫米波频率源阵列及无线输能设备。

背景技术

随着电子行业的飞速发展，毫米波雷达、毫米波基站、毫米波卫星通信模块等毫米波无线设备由于其在设备尺寸、波束可控和抗干扰等方面的综合优势，被广泛应用在电子系统的无线输能领域和雷达技术领域。相控毫米波频率源，作为毫米波无线系统的核心部件，往往需要多通道且具有幅度、相移控制功能，组成较大规模的相控阵，在提供所需能量传输或检测目标的同时具备波束扫描能力。

传统的相控毫米波频率源阵列由本振源及无源移相器构成，但无源移相器存在幅值变化大、相位精度低和小型化难度高的缺点，影响毫米波频率源阵列的输出效率和波束调控能力。为解决传统相控毫米波频率源阵列中小型化及相移幅值变化大的问题，中国专利，公开号为CN107069905A《无线功率发射机、无线功率接收机及其使用的方法》提供了一种相控毫米波频率源阵列，由本振源直接通过功分网络将信号并行馈送至发射单元，再由发射单元内部的移相器进行独立移相，去除了传统相控毫米波频率源阵列的缺点。在另一个相关专利中，提供了另一种相控毫米波频率源阵列，通过本振源自身产生不同的相位，并行馈送至发射单元进行筛选并作后续处理，优化了传统相控毫米波频率源阵列缺点。

然而，为了每个发射单元都能从本振源获得同等相位和同等功率的信号，上述两种方案均需要使用功分网络来进行信号馈送，导致存在本振源负载过重、扩展难度大、传输损耗较大、结构复杂、成本高昂等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种基于级联相控的毫米波频率源阵列及无线输能设备，能够降低功耗和成本、便于扩展。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于级联相控的毫米波频率源阵列，包括本振源和多个级联的相控单元，各所述相控单元的结构相同，所述相控单元包括四个交互接口，所述四个交互接口包括基波输入接口、基波输出接口、毫米波输出接口和控制接口，所述本振源连接首级相控单元的基波输入接口，上一级相控单元的基波输出接口连接下一级相控单元的基波输入接口；其中，

所述本振源，用于产生基波信号；

所述相控单元，用于根据基波输入接口输入的驱动信号以及控制接口输入的控制信号，产生从毫米波输出接口输出的预设相移的毫米波信号以及从基波输出接口输出的预设相移的基波信号。

可选地，所述相控单元还包括注入锁定振荡器、第一差分器、第二差分器和电源模块，所述毫米波输出接口和所述控制接口均连接所述注入锁定振荡器，所述基波输入接口通过所述第一差分器连接所述注入锁定振荡器，所述注入锁定振荡器通过所述第二差分器连接所述基波输出接口，所述电源模块为所述相控单元提供电能。

可选地，所述注入锁定振荡器包括电感电容谐振器、振荡单元、注入单元和输出缓冲器，所述电感电容谐振器的两端分别连接所述注入锁定振荡器的差分输出端口，所述振荡单元的两端分别连接所述电感电容谐振器的两端，所述注入单元的两个输入端分别连接所述注入锁定振荡器的差分输入端口，所述注入单元的两个输出端分别连接所述注入锁定振荡器的差分输出端口，所述注入锁定振荡器的差分输出端口通过输出缓冲器连接所述差分器，所述电感电容谐振器、所述振荡单元和所述注入单元组成重置单元；其中，

所述电感电容谐振器，用于调节谐振峰以调整谐振频率；

所述振荡单元，用于起振以及补偿所述电感电容谐振器的能量损失；

所述注入单元，用于根据输入的差分信号产生注入电流，注入电流输入到所述电感电容谐振器；

所述重置单元，用于功率重置；

所述输出缓冲器，用于功率重置。

可选地，所述电感电容谐振器包括电感、多位开关电容阵列和多个变容管，所述电感、多个变容管和多位开关电容阵列并联连接，所述电感电容谐振器的两端分别连接所述注入锁定振荡器的差分输出端口。

可选地，所述振荡单元包括第一场效应管、第二场效应管和第一电流源，所述第一场效应管的栅极连接所述第二场效应管的漏极，所述第二场效应管的栅极连接所述第一场效应管的漏极，所述第一场效应管和所述第二场效应管的源极均连接所述第一电流源，所述第一场效应管和所述第二场效应管的漏极分别连接所述电感电容谐振器的两端。

可选地，所述注入单元包括第三场效应管、第四场效应管和第二电流源，所述第三场效应管和所述第四场效应管的栅极分别连接所述注入锁定振荡器的差分输入端口，所述第三场效应管和所述第四场效应管的漏极分别连接所述电感电容谐振器的两端，所述第三场效应管和所述第四场效应管的源极均连接所述第二电流源。

可选地，所述毫米波频率源阵列还包括倍频器和/或功率放大器，所述倍频器和/或所述功率放大器串联连接在注入锁定振荡器与所述毫米波输出接口之间。

可选地，所述电源模块包括带隙基准电源和低压线性稳压器，其中，所述带隙基准电源的输出连接所述低压线性稳压器的输入。

可选地，所述控制接口包括串口外设接口，多个相控单元的串口外设接口之间通过级联连接。

可选地，相邻的两级相控单元之间通过微带短截线连接。

第二方面，本发明实施例提供了一种无线输能设备，包括数字控制器、功率放大器、发射天线和上述的毫米波频率源阵列，所述数字控制器的输出连接所述毫米波频率源阵列的控制接口，所述毫米波频率源阵列的毫米波输出接口连接所述功率放大器的输入，所述功率放大器的输出连接所述发射天线；其中，

所述数字控制器，用于产生控制信号；

所述功率放大器，用于对所述毫米波输出接口输出的预设相移的毫米波信号进行功率放大；

所述发射天线，用于发射功率放大后的毫米波信号。

实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例中的毫米波频率源阵列包括本振源和多个级联的相控单元，各个相控单元的结构相同，每个相控单元包括基波输入接口、基波输出接口、毫米波输出接口和控制接口，本振源连接首级相控单元的基波输入接口，上一级相控单元的基波输出接口连接下一级相控单元的基波输入接口，本振源产生的基波信号通过首级相控单元的基波输入接口输入到首级相控单元以作为驱动信号，对于非首级相控单元，上一级相控单元的基波输出接口产生的预设相移的基波信号，通过下一级相控单元的基波输入接口输入到下一级相控单元以作为驱动信号，因此，只需一个本振源负载，无需采用功分网络，可以降低功耗；另外，多个结构相同的相控单元进行级联，可以减低损耗，易于扩展，能够降低成本。

附图说明

图1是相关技术中相控毫米波频率源阵列的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于级联相控的毫米波频率源阵列的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种基于级联相控的毫米波频率源阵列的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种基于级联相控的毫米波频率源阵列的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种串行外设接口的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种相控单元的电路原理图；

图7是本发明实施例提供的一种注入锁定振荡器的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的一种注入锁定振荡器的电路原理图；

图9是本发明实施例提供的3倍频器的电路原理图；

图10是本发明实施例提供的电源模块的电路原理图；

图11是本发明实施例提供的另一种基于级联相控的毫米波频率源阵列的结构示意图；

图12是本发明实施例提供的一种相控单元连接的侧视图；

图13是本发明实施例提供的一种相控单元连接的俯视图；

图14是本发明实施例提供的另一种相控单元连接的俯视图；

图15是本发明实施例提供的一种无线输能设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。

在以下的描述中，所涉及的术语“第一第二第三”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一第二第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本发明实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。

除非另有定义，本发明实施例所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明实施例中所使用的术语只是为了描述本发明实施例的目的，不是旨在限制本发明。

在相关技术中，参阅图1中的（a），毫米波频率源阵列包括本振源B、功分网络、多个移相器以及后级处理部件，由本振源B产生一个毫米波信号，经过功分网络后，并联地将信号馈送到每一个相控单元中，通过每一个相控单元内的移相器独立产生阵列所需要的相位；或，参阅图1中的（b），由本振源B、功分网络、多个相位选择器及后级处理部件组成，由本振源B产生多个相位的毫米波信号，经过功分网络和相位选择器选择对应单元所需相位。由于多个移相器或多个相位选择器呈并联结构，该并联结构必须采用功分网络进行信号的馈送，导致并联相控毫米波频率源负载过重、传输损耗较大、多通道扩展较难、成本高昂。

参阅图2，本发明实施例提供了一种基于级联相控的毫米波频率源阵列，包括本振源B和多个级联的相控单元，各所述相控单元的结构相同，所述相控单元包括至少四个交互接口，所述四个交互接口包括基波输入接口V1、基波输出接口V3、毫米波输出接口V4和控制接口V2，所述本振源B连接首级相控单元的基波输入接口V1，上一级相控单元的基波输出接口V3连接下一级相控单元的基波输入接口V1；其中，

所述本振源B，用于产生基波信号；

所述相控单元，用于根据基波输入接口V1输入的驱动信号以及控制接口V2输入的控制信号Dctrl，产生从毫米波输出接口V4输出的预设相移的毫米波信号以及从基波输出接口V3输出的预设相移的基波信号。

需要说明的是，级联的相控单元的个数为3个或3个以上，具体数量根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。首级相控单元的基波输入接口连接本振源，除首级相控单元以外，下一级相控单元的基波输入接口连接上一级相控单元的基波输出接口，如果该相控单元为末级相控单元，则基波输出接口悬空。由此，每个相控单元通过仅驱动下一个相控单元的方式进行级联，从而构成了整个级联相控毫米波频率源阵列，不需要功分网络。

本振源在仅提供电源的情况下自主产生工作频段所需的基波信号，直接馈送至首级相控单元；进入首级相控单元的信号会产生

需要说明的是，相控单元改变的相移根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。可选地，相移的大小由控制信号控制调节，控制信号可以为数字信号或模拟信号。

在一些实施例中，相控单元可以注入锁定振荡器为核心，其功能是利用注入锁定结构的特性，在输入频率不变的情况下，输出频率会跟随输入的振荡频率，从而锁定输出频率。同时，在固定输入频率时，通过改变振荡器的本振频率，即可获得在同一输入频率下的不同输出相位，从而实现相位调控。

可选地，所述毫米波频率源阵列还包括倍频器和/或功率放大器，所述倍频器和/或所述功率放大器串联连接在注入锁定振荡器与所述毫米波输出接口之间。

倍频器用于将输入信号的频率和相位增加整数倍，功率放大器用于放大输入信号的功率。倍频器或功率放大器根据实际应用需求确定，可用选择倍频器或功率放大器，或同时选择倍频器和功率放大器。

在一个具体的实施例中，参阅图3，毫米波频率源阵列还包括功率放大器PA。本振源直接工作在毫米波频段，由注入锁定振荡器提供0-180°相移，经过相移的差分信号通过同相/反相的方式连接到功率放大器，信号的形式由两组开关控制，由此，该相控单元可输出0-360°相移的信号。

在一个具体的实施例中，参阅图4，毫米波频率源阵列还包括倍频器和功率放大器，注入锁定振荡器的基波输出接口连接3倍频器的输入，3倍频器的输出连接功率放大器的输入，功率放大器的输出连接后级处理部件。

可选地，所述控制接口包括串口外设接口，多个相控单元的串口外设接口之间通过级联连接。

在本实施例中，为节省芯片面积，减少控制口的使用，相控毫米波频率源阵列采用级联串行外设接口（SPI，Serial Peripheral Interface）的方式对电路进行控制。参阅图5，在相控毫米波频率源阵列上，串行外设通过级联连接，外部串行信号对地址位进行选择完成相控单元的片选。在相控单元内串行外设接口，可将外部串行数字控制信号转换为内部的并行数字控制信号（CHIP1/CHIP2/CHIP3/CHIP4），进而对芯片内部的数模转换器、开关电容阵列等模块控制，从而完成相控单元的全部功能。同时，该接口还留有输出至下一级单元的串行外设接口，完成对信号级联和整个阵列的控制。

可选地，所述相控单元还包括注入锁定振荡器、第一差分器、第二差分器和电源模块，所述毫米波输出接口和所述控制接口均连接所述注入锁定振荡器，所述基波输入接口通过所述第一差分器连接所述注入锁定振荡器，所述注入锁定振荡器通过所述第二差分器连接所述基波输出接口，所述电源模块为所述相控单元提供电能。

需要说明的是，差分器根据实际应用确定，本实施例不做具体限制，例如，差分器选用巴伦电路。

在相控单元内部，电源模块将输入电压变换到相控单元所需电压，单端信号由基波输入接口注入，经过差分器转为差分信号，并注入到注入锁定振荡器中进行移相；注入锁定振荡器的输出端口为两路差分端口，两路差分端口都串联输出缓冲器；其中，一路输出缓冲器将已移相的差分信号馈送到差分器，转为单端信号，由基波输出接口输出至下一相控单元；另一路输出缓冲器将差分信号馈送到后级电路进行处理，经毫米波输出接口输出。

在一个具体的实施例中，参阅图6，相控单元包括注入锁定振荡器（ILO，InjectionLocked Oscillator）、注入锁定三倍频器(ILFT，Injection-Locked Frequency tripler)、电源模块(BG-LDO，Bandgap-low dropout regulator，带隙基准-低压差线线性稳压器)、串行外设接口(SPI)以及功率放大器(PA)。在工作状态下，若相控单元为首级，则相控单元的输入信号是来自于信号源或锁相环输出；若该相控单元为非首级，则相控单元的输入信号是来自于上一级的输出信号。输入信号（LO

可选地，所述注入锁定振荡器包括电感电容谐振器、振荡单元、注入单元和输出缓冲器，所述电感电容谐振器的两端分别连接所述注入锁定振荡器的差分输出端口，振荡单元的两端分别连接电感电容谐振器的两端，注入单元的两个输入端分别连接所述注入锁定振荡器的差分输入端口，注入单元的两个输出端分别连接所述注入锁定振荡器的差分输出端口，所述注入锁定振荡器的差分输出端口通过输出缓冲器连接所述差分器，所述电感电容谐振器、所述振荡单元和所述注入单元组成重置单元；其中，

所述电感电容谐振器，用于调节谐振峰以调整谐振频率；

所述振荡单元，用于起振以及补偿所述电感电容谐振器的能量损失；

注入单元，用于根据输入的差分信号产生注入电流，注入电流输入到所述电感电容谐振器；

所述重置单元，用于功率重置；

所述输出缓冲器，用于功率重置。

在一个具体的实施例中，参阅图7，电感电容谐振器的两端分别连接注入锁定振荡器的差分输出端口V5和V6，振荡单元的两端连接注入锁定振荡器的差分输出端口V5和V6，注入单元的输入端（IN+/IN-）连接注入锁定振荡器的差分输入端口V5和V6，注入单元的输出端连接注入锁定振荡器的差分输出端口V5和V6，注入锁定振荡器的差分输出端口V5和V6通过输出缓冲器连接差分器的输入（OUT+/OUT-）。输出缓冲器用于对信号进行放大，输出缓冲器可替换位为任意适合工作频段的放大器。

可选地，所述电感电容谐振器包括电感、多位开关电容阵列和多个变容管，所述电感、多个变容管和多位开关电容阵列并联连接，所述电感电容谐振器的两端分别连接所述注入锁定振荡器的差分输出端口。

需要说明的是，开关电容阵列的位数根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。变容管的数量根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。

在一个具体的实施例中，参阅图8，电感电容谐振器由一个电感、7位开关电容阵列（

可选地，所述振荡单元包括第一场效应管、第二场效应管和第一电流源，所述第一场效应管的栅极连接所述第二场效应管的漏极，所述第二场效应管的栅极连接所述第一场效应管的漏极，所述第一场效应管和所述第二场效应管的源极均连接所述第一电流源，所述第一场效应管和所述第二场效应管的漏极分别连接电感电容谐振器的两端。

在一个具体的实施例中，参阅图8，振荡单元包括第一场效应管

可选地，所述注入单元包括第三场效应管、第四场效应管和第二电流源，所述第三场效应管和所述第四场效应管的栅极分别连接所述注入锁定振荡器的差分输入端口，所述第三场效应管和所述第四场效应管的漏极分别连接电感电容谐振器的两端，所述第三场效应管和所述第四场效应管的源极均连接所述第二电流源。

在一个具体的实施例中，参阅图8，注入单元包括第三场效应管

需要说明的是，场效应管包括但不限于NPN型或PNP型场效应管，场效应管还可以采用三极管替代，三极管的线路连接参照场效应管。

在一个具体的实施例中，参阅图9，注入锁定三倍频器主要由两部分组成：谐波发生器和注入锁定振荡器。利用MOS管的非线性特性，谐波发生器能够产生输入频率的各次谐波信号；然后这些各次谐波注入振荡器，当振荡器的谐振频率在输入信号频率的三倍左右时，三次谐波相对于其他各次谐波获得了更大的环路增益，也就是说振荡器的谐振腔能够放大三次谐波，同时抑制其他各次谐波，从而该电路实现了三倍频的功能。其中，三倍频器中的尾电感的作用是与寄生电容谐振，产生2次谐波与基频混频产生一个新的三次谐波。这极大地增加了三次谐波的注入效率，对锁定范围也有了很大的提升。基波信号通过三倍频器后，其相移得到了三倍拓展，大大提升相控单元的移相范围。最后，三倍频器的输出信号通过变压器耦合，输入到功率放大器，可进一步获得高功率的输出信号。

可选地，所述电源模块包括带隙基准电源和低压线性稳压器，其中，所述带隙基准电源的输出连接所述低压线性稳压器的输入。

由于外部电源受温度影响较大、噪声功率较高、干扰较多，芯片内部需添加电源管理芯片（BG-LDO）以提供一个干净、稳定的电源，以提高相控单元的相移精度。具体地，参阅图10，电源模块由带隙基准源和低压差线性稳压器组成，带隙基准源提供一个不随温度变化、不受外部噪声干扰的参考电压，低压差线性稳压器将此参考电压转换为一个可输出大电流的稳定电压源，最后供给相控单元内部使用。

在一个具体的实施例中，参阅图11，基于级联相控的毫米波频率源阵列包括4个级联的注入锁定振荡器，4个注入锁定3倍频器和4个放大器，注入锁定3倍频器与放大器级联后连接注入锁定振荡器的毫米波输出接口，电源模块为毫米波频率源阵列各元件提供电能，控制信号Dctrl通过串行外设接口(SPI)产生不同的控制信号（Dctrl1~Dctrl4）分别控制不同的注入锁定振荡器。

可选地，相邻的两级相控单元之间通过微带短截线连接。

在一个具体的实施例中，参阅图12-图14，每一个相控单元在印刷电路板上进行级联，输入源信号通过金线S从印刷电路板上输入到相控单元内部，而输出信号则与输入信号相反，从相控单元内部输出至印刷电路板上。相控单元级间的相移信号传输和匹配则由微带短截线构成。在其他实施例中，为降低级联损耗或提高集成度，印刷电路板连接可被替换为倒片封装连接、片内连接等，并且可以通过同种方法对相控单元进行级联拓展，以增加阵列单元数。由于工作频率较高，直接的片外连接的损耗可能导致无法激励下一级单元，因此级间连接使用片内连接是一种较为可靠的方式，即将相控单元的输入输出口在芯片内部连接。其中，AP表示焊盘，CHIP表示毫米波频率源阵列芯片，TOP/DIE/BOT组成印刷电路板，JS表示顶层金属。

实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例中的毫米波频率源阵列包括本振源和多个级联的相控单元，各个相控单元的结构相同，每个相控单元包括基波输入接口、基波输出接口、毫米波输出接口和控制接口，本振源连接首级相控单元的基波输入接口，上一级相控单元的基波输出接口连接下一级相控单元的基波输入接口，本振源产生的基波信号通过首级相控单元的基波输入接口输入到首级相控单元以作为驱动信号，对于非首级相控单元，上一级相控单元的基波输出接口产生的预设相移的基波信号，通过下一级相控单元的基波输入接口输入到下一级相控单元以作为驱动信号，因此，只需一个本振源负载驱动首级相控单元，而非驱动多个相移链路，大幅减轻本振源负载；另外，不需要功分网络进行信号馈送，节省了由功分网络本身无源损耗，对比并行结构具有更低功耗的优势；另外，相控单元都是相同的结构，都具备接受前级驱动信号产生预设相移和产生后级驱动信号的能力，通过简单复制相控单元并通过上述方式连接，即可大量扩展单元数，形成多通道，易于扩展，能够降低成本。另外，本实施例中一个相控单元仅消耗259mW的直流功耗即可输出17dBm的毫米波，转换效率达20%，为当前工业界较高水平。

相控单元以注入锁定振荡器为核心，通过注入锁定技术，完成第一步的功率重置，之后，缓冲器进一步将功率重置，从而保证所有相控单元都能输出同一功率水平下的信号，有利于控制阵列波束。

任意相邻的两级相控单元的输出相位差为固定值，因此天然适配线性相控阵的相移需求。

由于级联相控阵架构可采用片外连接的方式进行级联，每次流片仅需制作多个单元，而非整个源阵列。因此，制作成本均分摊在每个单元上，大幅缩减制作源阵列的成本。

单个相控单元的控制代码/信号可被复用至剩余相控单元上，简化控制代码/信号设计成本，大幅缩减相控毫米波频率源阵列的成本。

另外，由于在相控单元中无倍频器这一有源器件，因此，能够节省由其带来的功率消耗；且倍频器往往会使用到片上电感，而片上电感是芯片内部占用面积较大的部件，因此，去除倍频器有利于减小芯片面积。由于级间连接为片内连接，尺寸较小，直接连接对信号传输和匹配几乎无影响，因此，简单的复制即可完成具有多通道的级联相控毫米波频率源阵列阵列的整体设计，设计难度小。

参阅图15，本发明实施例提供了一种无线输能设备，包括数字控制器、功率放大器、发射天线和上述的毫米波频率源阵列，所述数字控制器的输出连接所述毫米波频率源阵列的控制接口，所述毫米波频率源阵列的毫米波输出接口连接所述功率放大器的输入，所述功率放大器的输出连接所述发射天线；其中，

所述数字控制器，用于产生控制信号；

所述功率放大器，用于对所述毫米波输出接口输出的预设相移的毫米波信号进行功率放大；

所述发射天线，用于发射功率放大后的毫米波信号。

具体地，无线输能设备用于发射高功率的毫米波，为无线设备提供电能。

具体地，数字控制器用于产生串行数字控制信号，串行数字控制信号通过控制接口输入到毫米波频率源阵列；毫米波频率源阵列根据基波输入接口输入的驱动信号以及控制接口输入的控制信号产生从毫米波输出接口输出的预设相移的毫米波信号，预设相移的毫米波信号输入到功率放大器；功率放大器对预设相移的毫米波信号进行功率放大，并将放大后的预设相移的毫米波信号通过发射天线进行发射。

需要说明的是，毫米波频率源阵列包括若干个相控单元，一个相控单元的毫米波输出接口连接一个功率放大器，一个功率放大器连接一个发射天线。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。