具体实施方式

公开了一种用于毫米波应用的可切换反射式相移器(“Switchable ReflectivePhase Shifter,SRPS”)。通过使用能够在毫米波频率下操作的基于变容二极管的反射式相移器，SRPS能够生成0°到360°内的任何连续相移。SRPS采用稳健的拓扑设计，具有跨相位的低振幅变化、最小化的ESD效应和小型MMIC布局尺寸，使其成为诸如无线通信、ADAS和自动驾驶之类的许多毫米波应用的理想选择。

具体地，本文所描述的SRPS使得能够在目前自动驾驶系统的一小部分时间内快速扫描整个环境高达360°，并且具有改进的性能、全天气/全状况检测、通过传感器融合与多个车辆传感器进行高级决策和互动。本文所描述的示例提供了所发射RF信号的增强相移以实现自动车辆范围内的发射，该范围在美国为大约77GHz并且具有5GHz范围，具体来说就是76GHz到81GHz。本文所描述的示例还降低了雷达系统的计算复杂性，并且提高了其发射速度。

应当理解，在以下描述中，阐述大量具体细节以提供对示例的透彻理解。然而，应当理解，可以在不受限于这些具体细节的情况下实践这些示例。在其他情况下，可能没有详细描述众所周知的方法和结构，以避免不必要地使示例的描述变得模糊。此外，这些示例可以相互组合使用。

图1是根据各种示例的用于毫米波应用的SRPS的示意图。SRPS 100具有两个主电路：可切换相位网络102和反射式相移器104。可切换相位网络102包括延迟线路和开关，以在一组相位子范围(例如，90°相位子范围、120°相位子范围等)中使能反射式相移器104中的相移。一组偏置电压106用于启动可切换相位网络102中的开关。每个偏置电压启动给定的开关，并且使能给定相位子范围中的相移。反射式相移器104被设计为生成每个子范围中的相移。在各种示例中，通过一组变容二极管来实现反射式相移器104，以实现针对一组变容二极管控制电压的连续相移。

变容二极管是一种可变电容二极管，其电容随所施加的变容二极管控制电压或反向偏置电压而改变。通过改变控制电压的值，变容二极管的电容在给定的值范围内改变。用于毫米波应用的变容二极管的设计受到品质因数和调谐范围的限制，并且品质因数远远低于期望水平。因此，在毫米波频谱中具有宽调谐范围的变容二极管难以实现，从而限制了它们在可能需要360°相移才能实现其全部潜力的毫米波应用中的使用。理想变容二极管(即，无损非线性电抗)具有约20到80fF的给定电容范围并且没有损耗(Rs＝0Ω)。理想变容二极管可提供约52°到126°的范围内的相移。在期望360°全相移的各种应用中，这种相移是不够的。

通过引入分布式变容二极管网络来生成0°到360°之间的任何期望相移，SRPS 100为这种有限的相移范围问题提供了解决方案。响应于由控制模块106提供的偏置电压而生成每个期望的相移。在波束转向车辆雷达应用中，控制模块106是感知模块，该感知模块基于对象的检测和识别而指示波束转向天线以转向RF波束。在无线通信应用中，控制模块106用于根据需要来转向RF波束，以改进对用户(诸如，非视距区域内的用户)的无线覆盖范围。

现在参考图2，图2示出了如图1所示并且根据各种示例实施的可切换反射式相移器的示意图。SRPS 200被示为具有可切换相位网络202和反射式相移器204。可切换相位网络202具有两个单刀三掷(“SP3T”)开关206-208，以使能三个相位子范围，在这些子范围中反射式相移器204可产生精细相位控制。相位子范围210被启动以在反射式相移器104中生成0到120°的相移，相位子范围212被启动以在反射式相移器204中生成120°到240°的相移，并且相位子范围214被启动以在反射式相移器204中生成240°到360°的相移。当相应的偏置电压被输入到可切换相位网络202时，相位子范围被使能以使反射式相移器204生成在相位子范围内的相移。例如，当与相位子范围210相对应的偏置电压被输入到可切换相位网络202时，反射式相移器204能够生成在该0°到120°的子范围内的连续相移。

图3示出了基于变容二极管的反射式相移器204的示意图。反射式相移器300是用朗格耦合器(Lange coupler)302、阻抗线路304-310和变容二极管312-318实现的分布式变容二极管网络。朗格耦合器302将RF输入信号划分为相位相差90°的两个信号。信号从匹配的反射负载320-322反射，并且组合RF输出的相位。阻抗线路304-310可以是例如四分之一波长(λ/4)或其他此类值的发射线路。每一线路304-310可具有不同或具有相同长度。根据所使用的变容二极管，耦合到变容二极管312-318的阻抗线路304-310的添加产生纯电容或纯电感电路。当RF信号被输入到反射式相移器300时，信号被分配到不同线路304-310，并且以增大的相位范围反射回来。每个变容二极管312-318的相位范围由变容二极管控制电压(未示出)控制。

应当注意，只有在使用理想变容二极管的情况下，反射式相移器300才实现360°全相移。被设计用于毫米波应用的实际变容二极管受到品质因数和调谐范围的限制。事实上，毫米波变容二极管的调谐范围比理想变容二极管的调谐范围小很多。在毫米波变容二极管的情况下，反射式相移器300能够生成在给定相位子范围内的相移，例如，120°相位子范围内的相移。因此，通过向图1和图2的SRPS设计添加可切换相位网络以为反射式相移器启动不同相位子范围，可实现360°全相移。

现在参考图4，描述了根据各种示例的如图2中的可切换相位网络的示意图。可切换相位网络400是具有耦合到阻抗线路408-412的三个电路块402-406的S3PT开关。每一电路块由相应的偏置电压来启动，例如，电路块402由偏置电压S1启动，电路块404由偏置电压S2启动，并且电路块406由偏置电压S3启动。阻抗线路408-412可以是四分之一波长线路或其他此类值，使得每一电路块的输出在给定相位子范围内。电路块402可生成相位在0°到120°内的RF信号，电路块404可生成相位在120°到240°内的RF信号，并且电路块406可生成相位在240°到360°内的RF信号。

图5示出了如图2所示并且根据主题技术的各种实现方式的通过SRPS生成期望相移的流程图。首先，将偏置电压输入到SRPS中(500)。偏置电压启动给定的投掷开关(例如，图4中的电路块402-406)，以生成给定相位子范围内的相移(502)。然后，投掷开关启动通过SRPS电路中的反射式相移器来触发期望相位子范围内的精细调谐相移控制(504)。

图6示出了如图2所示并且根据主题技术的各种实现方式的SRPS的相移、偏置电压和变容二极管控制电压的示例值。表600示出了针对偏置电压S1实现的在0°到120°内的德尔塔(delta)和角相位值以及不同的变容二极管控制电压，表602列出了在120°到240°内的相位子范围的参数值，并且表604列出了在240°到360°内的相位子范围的参数值。所图示的结果表明本文所描述的SRPS具有真正生成高达360°的全相位范围内的连续相移的能力。这使得在5G和自动车辆应用中在毫米波频率范围内的波束转向成为可能，从而满足许多应用的需求。

图7示出了根据主题技术的各种实现方式的用于SRPS的示例MMIC布局。MMIC 700是在GaAs工艺中实现的，电路尺寸约为1.65mm X 2.9mm，适用于许多毫米波应用。图8是示出SRPS 200的跨相位的插入损失的图800。SRPS 200的跨频率和相位的插入损失被控制，并且保持在大约6.5dB。在图9中，示出由SRPS 200实现的相移的图900示出了其高达360°的全相位能力。

本文所描述的SRPS能够应用于许多毫米波应用，包括自动车辆中的波束转向雷达应用。通过本文所描述的SRPS实现的波束转向雷达能够通过由SRPS产生的相移将RF波束转向0°到360°内的任何位置。现在参考图10，示出了使用自动车辆中的波束转向雷达系统来检测和识别对象的示例环境。自主车辆1000是具有波束转向雷达系统1006的自动车辆，该波束转向雷达系统1006用于发射雷达信号以扫描FoV或特定区域。整个FoV或其部分可由此类发射波束1018的集合来扫描，该发射波束1018的集合可以在连续相邻扫描位置中或以特定或随机次序扫描。应当注意，本文中使用术语FoV来指代雷达发射，并且并不暗示具有无阻挡视野的光学FoV。扫描参数还可以指示这些增量发射波束之间的时间间隔，以及针对全盘扫描或部分扫描的开始和结束角位置。

在各种示例中，自主车辆1000还可以具有其他感知传感器，例如，摄像头1002和激光雷达1004。这些感知传感器不是自主车辆1000所必需的，但是可用于增强波束转向雷达系统1006的对象检测能力。摄像头传感器1002可以用于检测可见对象和状况并且有助于各种功能的执行。激光雷达传感器1004还可用于检测对象，并且提供此信息以调整对车辆的控制。此信息可以包括诸如公路上的拥堵、道路状况，以及将影响车辆的传感器、动作或操作的其他状况之类的信息。目前，摄像头传感器用在高级驾驶员辅助系统(“AdvancedDriver Assistance Systems,ADAS”)中，以协助驾驶员执行诸如停车之类的功能(例如，在后视摄像头中)。摄像头能够以高细节水平来捕获纹理、颜色、和对比度信息，但是类似于人眼，它们容易受到不利天气状况和照明变化的影响。摄像头1002可以具有高分辨率，但无法分辨50米以外的对象。

激光雷达传感器通常通过计算光脉冲行进到对象并返回传感器所花费的时间来测量距对象的距离。当定位于车辆顶部时，激光雷达传感器能够提供周围环境的360° 3D视图。其他方法可以在车辆周围的不同位置处使用若干激光雷达来提供360°全视图。然而，激光雷达传感器(例如，激光雷达1004)仍然价格过高、尺寸过大、对天气状况敏感，并且受限于短程范围(通常小于150-200米)。另一方面，雷达多年来一直用于车辆，并且在全天气状况下操作。雷达还使用远少于其他类型的传感器的处理，并且具有检测障碍物后方的对象并且确定移动对象的速度的优势。在分辨率方面，激光雷达的激光波束聚焦于小范围内，波长比RF信号小，并且能够实现约0.25度的分辨率。

在各种示例中并且如下文更详细描述的，波束转向雷达系统1006能够提供自主车辆的路径和周围环境的360°真实3D视觉和类似于人的解译。雷达系统1006能够通过波束转向天线模块(具有至少一个波束转向天线)而在360° FoV中的所有方向上成形和转向RF波束，并且在约300米或更远的长程范围内快速且高精确度地识别对象。摄像头1002和激光雷达1004的短程范围能力连同雷达1006的长程范围能力使得自主车辆1000中的传感器融合模块1008能够增强其对象检测和识别。

图11示出了根据各种示例的用于自主车辆的自动驾驶系统的示意图。自动驾驶系统1100是用在自主车辆中的系统，其提供驾驶功能的一些或全部自动化。驾驶功能可以包括例如响应于诸如当需要躲避路上行驶的车辆、过街的行人、动物等时改变车道或速度之类的事件而转向、加速、刹车，以及监视周围环境和驾驶状况。自动驾驶系统1100包括波束转向雷达系统1102和其他传感器系统，例如，摄像头1104、激光雷达1106、基础结构传感器1108、环境传感器1110、操作传感器1112、用户偏好传感器1114和其他传感器1116。自动驾驶系统1100还包括通信模块1118、传感器融合模块1120、系统控制器1122、系统存储器1124和V2V通信模块1126。应当理解，自动驾驶系统1100的这个配置是示例配置，并不意味受限于图11所示的特定结构。图11未示出的附加系统和模块可以包括在自动驾驶系统1100中。

在各种示例中，波束转向雷达系统1102包括至少一个波束转向天线以用于提供动态可控制和可转向波束，这些波束可聚焦于车辆的360° FoV的一个或多个部分。从波束转向天线辐射的波束从车辆的路径和周围环境中的对象反射回来，并且由雷达系统1102接收和处理以检测和识别对象。雷达系统1102包括感知模块，该感知模块被训练为根据需要来检测和识别对象并控制雷达模块。摄像头传感器1104和激光雷达1106还可以用于识别自主车辆的路径和周围环境中的对象，尽管是极短程范围内的对象。

基础结构传感器1108可以在驾驶时从基础结构提供信息，例如，从智能道路配置、广告牌信息、交通警报和指示符，包括交通灯、停车标志、交通警示等。这是正在发展起来的领域，并且衍生自该信息的用途和能力极大。环境传感器1110检测各种外部状况，例如温度、湿度、雾、能见度、降水等。操作传感器1112提供有关车辆的功能操作的信息。此信息可以是轮胎压力、油位、制动器磨损等。用户偏好传感器1114可以被配置为检测作为用户偏好的部分的状况。这可能是温度调整、智能窗户遮阳等。其他传感器1116可以包括用于监视车辆内部和周围状况的附加传感器。

在各种示例中，传感器融合模块1120优化这些各种功能以提供车辆和环境的近似全面视图。许多类型的传感器可以由传感器融合模块1120控制。这些传感器可以彼此协调以共享信息，并且考虑一个控制动作对另一系统的影响。在一个示例中，在拥堵的驾驶条件下，噪音检测模块(未示出)可以识别出存在可能干扰车辆的多个雷达信号。雷达1202中的感知模块可以使用此信息来调整雷达的扫描参数，以避免这些其他信号并使干扰最小化。

在另一示例中，环境传感器1110可以检测出天气在变化，并且能见度在降低。在此情形下，传感器融合模块1120可以确定配置其他传感器以改进车辆在这些新状况下导航的能力。配置可以包括关闭摄像头或激光雷达传感器1104-1106，或降低这些基于能见度的传感器的采样率。这有效地依赖于适用于目前情形的(一个或多个)传感器。作为响应，感知模块也针对这些状况来配置雷达1102。例如，雷达1102可以减小波束宽度以提供更聚焦的波束，因此提供更精细的感知能力。

在各种示例中，传感器融合模块1120可以基于历史状况和控制来向天线发送直接控制。传感器融合模块1120还可以使用系统1100内的一些传感器来充当其他传感器的反馈或校准。这样一来，操作传感器1112可以向感知模块和/或传感器融合模块1120提供反馈，以创建模板、模式和控制情形。这些模板、模式和控制情形是基于成功动作的，或可以是基于不良结果的，其中传感器融合模块1120从过去的动作中进行学习。

来自传感器1102-1116的数据可以在传感器融合模块1120中组合，以改进自动驾驶系统1000的目标检测和识别性能。传感器融合模块1120自身可以由系统控制器1122控制，该系统控制器1122还可以与车辆中的其他模块和系统进行互动并且控制车辆中的其他模块和系统。例如，系统控制器1122可以根据需要来接通和关断不同传感器1102-1116，或在识别到驾驶危险(例如，鹿、行人、骑车的人，或突然出现在车辆路径中的另一车辆，飞扬的碎屑等)时向车辆提供停车指示。

自动驾驶系统1100中的所有模块和系统通过通信模块1118彼此通信。自动驾驶系统1100还包括系统存储器1124，该系统存储器1124可以存储信息和数据(例如，静态和动态数据)，这些信息和数据用于操作系统1100和使用系统1100的自主车辆。V2V通信模块1126用于与其他车辆进行通信。V2V通信模块1126还可以包括来自其他车辆的信息，该信息对于车辆用户、驾驶员或骑手是不可见的，并且可以帮助车辆协调以避免事故。

图12示出了如图2所示并且根据主题技术的各种实现方式的波束转向雷达系统的示意图。波束转向雷达系统1200是具有真实3D视觉并且能够进行类似于人对世界的解译的“数字眼”。“数字眼”和类似于人的解译能力由两个主模块提供：雷达模块1202和感知模块1204。雷达模块1202包括至少一个波束转向天线1206以用于提供动态可控制和可转向波束，这些波束可聚焦于自动自主车辆的360° FoV的一个或多个部分。应当注意，目前的波束转向天线实现方式能够转向波束高达120°-180° FoV。可能需要多个波束转向天线来提供达到360°全FoV的可转向性。

在各种示例中，波束转向天线1206与RFIC 1210集成在一起，该RFIC 1210包括本文所描述的用于以多个转向角来提供RF信号的SRPS。天线可以是元结构天线、相控阵天线，或能够以毫米波频率辐射RF信号的任何其他天线。如本文中通常定义的元结构是能够基于几何结构而控制和操纵期望方向上的入射辐射的工程化结构。元结构天线可以包括各种结构和层，包括例如，用于划分功率并且提供阻抗匹配的反馈或功率划分层1218、具有用于提供转向角控制和其他功能的RFIC 1210的RF电路层，以及具有多个微带、间隙、补丁(patch)、通孔的元结构天线层等。元结构层可以包括超材料层。可以使用波束转向天线1206的各种配置、形状、设计和尺寸来实施特定设计并且满足特定约束。

雷达控制的部分由感知模块1204提供，感知模块1204充当图1的控制模块106。由雷达模块1202生成的雷达数据被提供到感知模块1204以用于对象检测和识别。雷达数据由收发器1208获取，收发器1208具有雷达芯片组，该雷达芯片组能够生成由波束转向天线1206辐射的RF信号并且接收这些RF信号的反射。感知模块1204中的对象检测和识别是在机器学习模块(“Machine Learning Module,MLM”)1212和分类器1214中执行的。一旦在车辆的FoV中识别到对象，感知模块1204向雷达模块1202中的天线控制件1216提供对象数据和控制指令，以用于根据需要来调整波束转向和波束特性。在各种实现方式中，控制指令包括用于通过调整输入到RFIC 1210中的SRPS的偏置电压来提供不同相移的指令。

在各种示例中，MLM 1212实现CNN，在各种示例中该CNN是从输入到输出具有三个堆叠卷积层(附加层也可以包括在CNN中)的全卷积神经网络(“FCN”)。这些层中的每一层还执行整流的线性启动功能和批量归一化，以替代传统的L2正规化，并且每一层具有64个滤波器。不同于许多FCN，数据在网络中传播时没有压缩，因为输入的尺寸相对小，并且无需压缩即可满足运行时要求。在各种示例中，可以通过原始雷达数据、合成雷达数据、激光雷达数据来训练CNN，然后通过雷达数据来重新训练CNN等。可以实施多个训练选项以用于训练CNN，从而实现良好的对象检测和识别性能。

分类器1214还可以包括CNN或其他对象分类器，以便通过使用雷达模块1202所获取的雷达数据中的速度信息和微多普勒特性来增强感知模块1204的对象识别能力。当对象缓慢移动或移动到道路车道外部时，那么它很有可能不是机动车辆，而是人、动物、骑车的人等。类似地，当一个对象在公路上以高速但低于其他车辆的平均速度移动时，分类器1214使用该速度信息来确定该车辆是否是卡车或趋于较缓慢移动的另一对象。对象的位置(例如，在一些国家(例如，在美国)中公路的最右车道)可以指示缓慢移动型车辆。如果对象的移动没有遵循道路的路径，那么对象可能是动物，例如，奔跑着穿过道路的鹿。所有这些信息可以从各种传感器和可从车辆获得的信息来确定，包括从天气和交通服务以及从其他车辆或环境自身(诸如，智能道路和智能交通标示)提供的信息。

应当注意，速度信息是雷达传感器独有的。雷达数据呈具有数据元组形式的多维格式(ri,θi,φφi,Ii,vi)，其中ri、θi、φφi表示对象的位置坐标，其中ri表示雷达系统300与沿其视线的对象之间的范围或距离，θi是方位角，并且φφi是仰角，Ii是指示返回到收发器1208的发射功率的量的强度或反射率，并且vi是雷达系统1200与沿其视线的对象之间的速度。由感知模块1204向雷达模块1202提供的位置和速度信息使得天线控制件1210能够相应地调整其参数。

图13示出了用于转向用于对象检测和识别的波束转向车辆雷达中(如在图12的波束转向车辆雷达1200中)的RF波束的流程图。首先，生成RF信号以用于在收发器处发射(1300)。向波束转向车辆雷达中的RFIC中的可切换反射式相移器提供偏置电压(1302)。应当注意，在波束转向车辆雷达中的一个RFIC和多个RFIC中可以存在多个可切换反射式相移器，例如，耦合到多个天线元件的RFIC。每个可切换反射式相移器生成与收发器的偏置电压相对应的第一相位子范围内的相移，以便向波束转向天线(例如，波束转向天线1206)提供经相移RF信号(1304)。然后，波束转向天线辐射经相移RF信号以检测对象(1306)。然后，基于检测到的对象而将可切换反射式相移器切换到第二相位子范围，以将波束转向另一方向(1308)。这可能是响应于对象移动到路上的另一位置或另一此类示例的。SRPS使得自主车辆能够将波束转向任何期望方向，以用于在短范围和长范围内都进行对象检测。

本文以上所描述的SRPS也可在5G应用中实施，如图14所示。在本申请中，无线通信模块1402(例如，基站)并入如本文所描述的SRPS(例如，图2的SRPS 200)以发射和接收RF波束。例如，在模块1402的无线收发器中实施的SRPS能够将从无线模块1402辐射的RF波束转向任何方向。在接收操作期间，SRPS可以用于对准在不同时间到达模块1402的接收天线的每个辐射元件的接收到的RF波束。在另一示例中，在有源反射阵列模块1404中实施的SRPS将从无线通信模块1402发射的RF波束反射到任何方向，以达到非视距区域中的用户。期望方向由耦合到反射阵列模块1404的控制模块并且响应于环境1400中可能影响对用户的无线覆盖范围的状况而提供。

应当理解，提供所公开示例的前述描述以使得本领域的任何技术人员能够制作或使用本公开。对这些示例的各种修改对于本领域技术人员以及本公开的精神或范围将是显而易见的。因此，本公开并非旨在限于本文所示的示例，而是符合与本文所公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。

如本文所使用的，在一系列项目之前的短语“…中的至少一个”(用术语“和”或“或”来分离所示项目中的任何项目)以整体修改列表，而不是列表的每一成员(即，每一项目)。短语“…中的至少一个”并不要求选择至少一个项目；相反，短语允许包括以下各项的含义：项目中的任何一个中的至少一个，和/或项目中的任何组合中的至少一个，和/或项目中的每一个中的至少一个。举例来说，短语“A、B和C中的至少一个”或“A、B或C中的至少一个”各自意指仅A、仅B或仅C；A、B和C的任何组合；和/或A、B和C中的每一个中的至少一个。此外，在说明书或权利要求书中使用术语“包含”、“具有”等的情况下，此类术语旨在以类似于术语“包括”在权利要求中用作过渡词时所解译的方式而为包括性的。

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尽管本说明书包含许多具体细节，但是这些细节不应被解释为对所要求保护的范围的限制，而应被解释为对主题的特定实现方式的描述。在本说明书中单独实施例的上下文中描述的某些特征也可在单个实施例中组合地实施。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可单独地或以任何适合的子组合的方式在多个实施例中实施。此外，尽管特征可以在上文中描述为以某些组合起作用并且甚至在最初如此受权利要求书保护，来自受权利要求书保护的组合的一个或多个特征可在一些状况下从组合中去除，并且受权利要求书保护的组合可以涉及子组合或子组合的变化。

已根据特定方面描述了本说明书的主题，但其他方面可实施并且在所附权利要求的范围内。例如，尽管在附图中以特定次序描绘了操作，但这不应理解为要求此类操作以所示的特定次序或依序执行，或者要求执行所有示出的操作来实现期望的结果。权利要求中阐述的动作可以以不同次序执行，并且仍实现期望的结果。例如，要实现期望的结果，附图中所描绘的过程不一定要求所示的特定次序或依序。此外，上文所描述的方面中的各种系统组件的分离不应理解为在所有方面中都要求此类分离，并且应当理解，所描述的程序组件和系统通常可一起集成在单个硬件产品中或封装到多个硬件产品中。其他变化在所附权利要求的范围内。