阅读说明：本技术 具有扩大的调谐范围的分布式变容二极管网络 (Distributed varactor network with extended tuning range ) 是由 阿斯米塔·丹尼 于 2019-04-19 设计创作，主要内容包括：本文公开的示例涉及一种相移网络系统,包括：相移网络,该相移网络具有多个分布式变容二极管网络,每个分布式变容二极管网络能够提供毫米波频谱的相移范围；以及耦合到相移网络的多个开关,每个开关用于激活多个分布式变容二极管网络中的分布式变容二极管网络,以生成相移范围内的给定相移。(Examples disclosed herein relate to a phase shift network system, including: a phase shift network having a plurality of distributed varactor networks, each capable of providing a phase shift range of the millimeter wave spectrum; and a plurality of switches coupled to the phase shift network, each switch for activating a distributed varactor network of the plurality of distributed varactor networks to generate a given phase shift within the range of phase shifts.)

具体实施方式

公开了具有扩大的调谐范围和相移覆盖的分布式变容二极管网络。该分布式变容二极管网络是利用多个变容二极管和其他组件实现的，并且适用于包括毫米波频谱中的应用在内的很多不同应用。在各种示例中，分布式变容二极管网络可以被结合在相移网络设计中，以实现全360゜相移。相移网络融入了多个分布式变容二极管网络和射频(RF)开关，以比传统相移网络低得多的损失提供高达全360゜范围内的任何期望的相移。

在各种示例中，相移网络被实现在无线通信、ADAS、以及自动驾驶中的高级毫米波应用中，尤其被实现在利用辐射结构来生成改善了方向性并且减少了不期望的辐射图案(例如，旁瓣)的无线雷达信号的应用中。这种辐射结构可以包括新颖的元结构(MTS)，该元结构具有根据需要来操纵电磁波的前所未有的能力。MTS结构是一种工程化结构，其具有在自然界中未发现的电磁特性，其中，折射率可以采用任何值。MTS结构可以是非周期性的、周期性的、或者部分周期性的(半周期性的)。MTS结构操纵作为频率和空间分布的函数的电磁波的相位，并且可以具有各种形状和配置。MTS结构可以被设计为满足某指定标准，该标准包括例如期望的波束特性。

在各种示例中，相移网络被融入在基于MTS的天线系统中，该天线系统使用各种配置的MTS辐射结构来提供智能波束控制和波束形成。本文描述的相移网络能够在当前系统的一小部分时间内实现对整个环境的高达360°的快速扫描，并且支持具有改善性能的自动驾驶、全天候/全条件检测、高级决策、以及通过传感器融合与多个车辆传感器交互。

利用结合在基于MTS的天线系统中的本文描述的相移网络来增强自动驾驶应用，从而使能长距离和短距离能见度。在汽车应用中，短距离被认为是在车辆的30米内(例如，以检测车辆正前方的人行横道上的人)，而长距离被认为是250米以上(例如，以检测在高速路上正靠近的车辆)。结合了相移网络的基于MTS的天线系统使得汽车雷达能够重构它们周围的世界，并且实际上是具有对周围环境的3维视觉和人性化解读的雷达“数字眼”。提前捕捉环境信息的能力有助于车辆的控制，允许预测危险和变化的条件。

在各种示例中，基于MTS的天线系统操控高指向性的RF波束，该RF波束能够精确地确定道路目标的位置和速度而不考虑天气条件或环境中的混乱情况。基于MTS的天线系统可以被用在雷达系统中，以在其测量距离和方位角时提供用于二维图像能力的信息，并且提供到目标的距离和标识水平面上的投影位置的方位角。

本文描述的示例提供了对所发送的RF信号的增强相移，以实现自主车辆范围(在美国大约为77GHz且具有5GHz范围，具体而言是76Ghz到81GHz)中的传输。本文描述的示例还降低了雷达系统的计算复杂度并增大了其传输速度。所提供的示例通过利用与新颖的馈送结构相耦合的MTS结构的特性来实现这些目标。

应该明白的是，在下面的描述中，给出了很多具体细节以提供对示例的透彻理解。但是，应该明白的是，示例可以不局限于这些具体细节而被实施。在其他实例中，没有详细描述公知方法和结构，以避免不必要地模糊这些示例的描述。另外，示例可以相互结合使用。

现在参考图1，描述根据各种示例的用于增大理想变容二极管的调谐范围和相位覆盖的电路的示意图。考虑理想变容二极管102为无损非线性电抗，即，具有给定的电容范围(例如，20至80fF)且无损(Rs＝0Ω)。理想变容二极管102可以提供大约52至126度范围内的相移。注意，作为理想变容二极管，这个相移可以出现在不同频谱中，包括30至300GHz的毫米波频谱。在需要全360゜相移的各种应用中，理想情况的相移是不够的。

电路100通过引入分布式变容二极管网络提供了对于这个问题的解决方案。分布式变容二极管网络100开始于添加四分之一波长(由λ/4表示)的均匀(Z0)传输线路104并将理想变容二极管102连接到与变容二极管102并联的电感器106。这创建了可变LC并联电路，该可变LC并联电路可以基于变容二极管102的值产生纯电感电抗或纯电容电抗。在参考平面P2，利用电感器106将理想变容二极管102的可变电容变换为可变电感。

分布式变容二极管网络100继续添加另一理想变容二极管，即变容二极管108，该变容二极管108与理想变容二极管102相同。这产生了并联LC振荡电路，使得在参考平面P3，该振荡电路可以表现为纯电感性、纯电容性、或者具有取决于电感器106的电感L和变容二极管102和108的电容C的值的谐振。

通过向分布式变容二极管网络100添加另一变容二极管，即与由变容二极管102和108以及电容器104形成的并联LC振荡电路串联的变容二极管110，在参考平面P4，分布式变容二极管网络100表现为纯电容性或纯电感性。所得到的网络100形成串联LC或串联CC电路，该串联LC或串联CC电路产生了大可变电抗范围和史密斯圆图中的全360゜相位覆盖。

图2示出了在图1的分布式变容二极管网络中示出的每个参考平面处的史密斯圆图。史密斯圆图200包括对应于图1的参考平面P1的史密斯圆图202、对应于图1的参考平面P2的史密斯圆图204、对应于图1的参考平面P3的史密斯圆图206、以及对应于图1的参考平面P4的史密斯圆图208。注意，史密斯圆图P1中示出的相位覆盖范围对应于变容二极管102的相位覆盖范围，理想变容二极管具有52至126度范围内的近似相位覆盖。在P2，电感器106引入了史密斯圆图204中示出的相移。与LC电路102-106并联的理想变容二极管108的添加产生了史密斯圆图206中示出的扩大的相位覆盖。通过与LC振荡电路串联放置的变容二极管110，分布式变容二极管网络100的相位覆盖对应于史密斯圆图208中示出的全360°。如上所述，这对于很多新毫米波应用(包括全360°相移使能相对于车辆的全视野中的目标检测的自动驾驶应用)是非常期望的。

但是，注意，分布式变容二极管网络100在理想变容二极管的情况下实现了全360゜相移。为毫米波应用设计的实际变容二极管会受到质量因数和调谐范围的限制。毫米波变容二极管的调谐范围实际上远小于理想变容二极管102、108、和110的调谐范围。在毫米波变容二极管的情况下，需要针对分布式变容二极管网络的不同设计来实现更宽的相移。

现在关注图3。图3示出了用于毫米波应用的分布式变容二极管网络的示意图。利用在毫米波具有有限的调谐范围和质量因数的变容二极管来设计分布式变容二极管网络300。在各种示例中，变容二极管是GaAs变容二极管。在其他示例中，变容二极管可以是硅变容二极管或其他此类材料。分布式变容二极管网络300的目标在于扩大毫米波应用中的变容二极管可以实现的调谐范围和相位覆盖。

分布式变容二极管网络300通过使分布式相移元件与变容二极管和四分之一波传输线部分相互穿插来实现这个目标。网络300开始于变容二极管302a-b，在毫米波应用中变容二极管302a-b具有例如大约5至6的低质量因数Q和大约37至72fF的电容范围。这个低Q是在毫米波应用中实现更宽相移的限制性因子。

为了解决这个挑战，具有λ/4的波节306a-b的3db 90°混合线路耦合器304被耦合到变容二极管302a-b。混合线路耦合器304是四端口设备(在图3中标记为端口1至4)，其可以将信号均等地划分到相互之间具有90゜相移的两个输出端口中或者可以在保持两个端口之间的高度隔离的同时结合两个信号。混合线路耦合器304与变容二极管302a-b一起形成并联LC电路。

添加耦合到两个以上变容二极管的另一混合线路耦合器(这次是耦合到具有大约18至33fF的电容范围的变容二极管312a-b且具有λ/8的波节31Oa-b的3dB 45°混合线路耦合器308)使得相位覆盖进一步增大，因为其为另一附加的串联LC网络提供了由耦合器304和变容二极管302a-b形成的并联LC电路。

参考图4可以进一步理解分布式变容二极管网络300的行为。图4示出了在图3中示出的每个参考平面处的史密斯圆图。史密斯圆图400包括对应于图3的参考平面P1的史密斯圆图402、对应于图3的参考平面P2的史密斯圆图404、以及对应于图3的参考平面P3的史密斯圆图406。史密斯圆图402示出了变容二极管302a-b结合混合耦合器304的有限相位范围。由混合耦合器304实现的相位范围大约仅为20゜。添加变容二极管302a-b将参考平面P2处的相移范围增大到约55°，如史密斯圆图404所示。利用混合耦合器308，相移范围在参考平面P3又增大55゜，使得由分布式变容二极管网络实现的总体相移范围大约为110°，如史密斯圆图406所示。

应该明白的是，分布式变容二极管网络300可以与其他分布式变容二极管网络300级联，以将相移范围从大约120゜扩大到更高的值。但是，这样做会产生更多的损失，这在毫米波应用中是不期望的。分布式变容二极管网络300具有高达6dB的损失。将另一分布式变容二极管网络与其级联将另外增加6dB。

还应该明白，变容二极管和混合耦合器实现方式(例如，在耦合器308中使用1/4波节而不使用1/8波节)的不同会导致它们的规格不同，从而会导致分布式变容二极管网络300能够实现的相移范围不同。例如，仿真已经示出，可以利用分布式变容二极管网络300实现120°以上的相移范围。

现在关注图5。图5示出了结合了图3的分布式变容二极管网络以实现高达全360゜相移的相移网络。相移网络系统500具有相移网络502，相移网络502包括三个分布式变容二极管网络504a-c。分布式变容二极管网络504a-c中的每个分布式变容二极管网络能够实现高达120°的相移范围，并且可以被实现为例如图3的分布式变容二极管网络300。在各种示例中，分布式变容二极管网络504a能够实现0゜到120°的相移，分布式变容二极管网络504b能够实现120゜到240゜的相移，并且分布式变容二极管网络504c能够实现240゜到360゜的相移。

相移网络502可以融入有两个三路RF开关，例如，SP3T开关506和508。开关506-508可以被设计为分别具有高达约2.5dB的损失。由于每个分布式变容二极管网络504a-c在77GHz的频率具有高达6dB的损失，所以相移网络电路500具有高达10-11dB的损失，这显著低于传统相移网络一般遭受的18-20dB的损失。因此，相移网络电路500能够在毫米波频谱以较低损失提供全360゜相移范围，如上所述，这是实现很多毫米波应用(包括有必要实现精确的目标检测和分类的自动驾驶)的全部潜能所需要的。

现在参考图6，描述利用图5的相移网络的示例毫米波天线系统的示意图。天线系统600包括诸如辐射结构632的模块，这些模块耦合到天线控制器614、中央处理器602、以及收发器612。信号被提供给天线系统600，传输信号控制器610可以根据通过天线系统600传播的信号的需要而充当接口、转换器、或调制控制器等。

在各种示例中，传输信号控制器610生成传输信号，例如，频率调制连续波(FMCW)，其用于例如雷达或其他应用中(因为所发送的信号在频率或相位中被调制)。FMCW信号使得雷达能够通过测量发送信号和接收信号或反射信号之间的相位或频率中的相位差来测量离目标的距离。可以根据系统和应用的期望信息和规范结合其他调制类型。在FMCW格式中，存在可以用在FMCW中的各种调制模式，包括三角形、锯齿形、长方形等，它们分别具有不同的优点和用途。例如，锯齿形调制可以被用于距离目标较远的位置；三角形调制使能多普勒频率的使用，等等。接收信号被存储在存储器存储单元608中，其中，信息结构可以由传输类型和调制模式确定。

在操作中，天线控制器614从天线系统600中的其他模块接收指示下一个辐射波束的信息，其中，辐射波束可以由诸如波束宽度、发射角度、发射方向等参数指定。天线控制器614确定应用于耦合到辐射结构632的电容控制机构以实现给定相移的电压矩阵。收发器612准备用于传输的信号，例如，用于雷达设备的信号，其中，该信号由调制和频率限定。该信号被辐射结构632的每个元件接收，并且由辐射阵列结构626生成的辐射图案的相位由天线控制器614控制。

在各种示例中，传输信号被辐射阵列结构626的一部分或子阵列接收。这些辐射阵列结构626可应用于很多应用，包括自主车辆中的雷达在内的很多应用，以检测汽车环境或无线通信、医疗设备、感测、监控等中的目标。每个应用类型都包括本文描述的元件、结构、和模块的设计和配置，以满足他们的需要和目标。

辐射结构632包括馈送分配模块618，其耦合到传输阵列结构624，传输阵列结构624用于通过辐射阵列结构626发送信号，馈送分配模块618生成受控辐射波束，该受控辐射波束随后被反射回来并最终被天线系统600中的AI模块606和其他传感器模块(未示出)分析以用于目标检测和识别(例如，在自动驾驶应用中)。传感器融合接口模块604与天线系统600中的其他传感器模块、处理来自天线系统600的数据的传感器融合模块(未示出)、以及检测并定位目标并提供周围环境的理解的其他传感器相接口。应该明白的是，天线控制器614可以响应于AI模块606处理以前的信号或者与传感器融合模块604相接口而接收信号，或者其可以基于来自存储器存储单元608的程序信息而接收信号。

馈送分配模块618具有阻抗匹配元件620和电抗控制元件622。阻抗匹配元件620和电抗控制元件622可以被放置在馈送分配模块618的架构内。替代地，阻抗匹配元件620和电抗控制元件622中的一者或二者可以在馈送分配模块618外部，用于制造或构成为天线或雷达模块。阻抗匹配元件620与电抗控制元件622协同工作，以提供来自辐射阵列结构626的一个或多个辐射信号的相移。在各种示例中，阻抗控制元件622包括由天线控制器614控制的电抗控制机构，该电抗控制机构可以被用来控制来自辐射阵列结构16的辐射信号的相位。电抗控制模块可以例如包括诸如图5所示的相移网络系统的相移网络系统，以提供高达360°范围内的任何期望相移。

如图所示，辐射结构632包括辐射阵列结构626，该辐射阵列结构包括下面参考图7更详细地讨论的各个辐射单元(例如，单元630)。辐射阵列结构626可以采用各种形式并且被设计为与传输阵列结构624协同工作，其中，各个辐射单元(例如，单元630)对应于传输阵列结构624中的各元件。如图所示，辐射阵列结构626是单位单元元件的阵列，其中，每个单位单元元件具有统一的尺寸和形状；但是，一些示例可以包括不同的尺寸、形状、配置、和阵列尺寸。当传输信号例如通过同轴电缆或其他连接器被提供给辐射结构632时，该信号传播通过馈送分配模块618去往传输阵列结构624，随后去往辐射结构626用于通过空气传输。

现在关注图7。图7示出了诸如图6的阵列628的MTS单元的阵列的示意图。阵列700包含多个MTS单元，这多个MTS单元位于衬底的一个或多个层中并且根据需要和应用耦合到其他电路、模块、和层。在一些示例中，MTS单元是各种导电结构和模式的超材料单元，这使得接收到的传输信号被从其辐射出去。每个超材料单元可以具有独特的特性。这些特性可以包括产生负折射率的负介电常数和磁导率；这些结构被统称为左手材料(LHM)。LHM的使用使得在传统结构和材料中无法实现的行为能够进行，包括在电磁波或传输信号的传播中观察到的感兴趣的效应等。超材料可以被用于微波和太赫兹工程中的很多感兴趣的设备中，诸如用在电信、汽车和车辆、机器人、生物医学、卫星、和其他应用中的天线、传感器、匹配网络、和反射器。对于天线，超材料可以建造在比该超材料辐射的传输信号的波长小得多的尺度上。超材料特性来自工程设计结构，而不来自形成该结构的基础材料。精确的形状、维度、几何结构、尺寸、方向、排列等得到了能够通过阻挡、吸收、增强、或弯曲波来操纵电磁波的智能特性。阵列700中的MTS单元，例如，MTS单元702可以被如图所示地布置或者布置在任何其他配置(例如，六边形晶格)中。

MTS单元702被示出为具有外部或环状部分704，其围绕导电区域706且与导电区域706间存在空间。每个MTS单元702可以被配置在电介质层上，围绕不同MTS单元并且在不同MTS单元之间提供了导电区域和环状部分。压控可变电抗设备708，例如，变容二极管，在导电区域706和导电环状部分704之间提供受控电抗。受控电抗由所施加的电压(例如，在变容二极管的情况下所施加的反向偏压)而控制。电容的变化改变了MTS单元702的行为，使得MTS阵列700能够提供指向特定位置的聚焦高增益波束。应该明白的是，附加的电路、模块、和层可以融入在MTS阵列700中。

应该明白的是，图6的天线系统600(具有例如结合在电抗控制元件622中的相移网络系统500和作为辐射阵列结构628的MTS阵列700)可以用在无线通信和雷达应用中，尤其可以用在能够使用工程辐射结构来操纵电磁波的MTS结构中。还应该明白的是，天线系统600能够生成改善了方向性、减少了不期望的辐射图案(例如，旁瓣)的无线信号(例如，雷达信号)。另外，天线系统600能够在当前系统的一小部分时间内扫描整个环境。天线系统600使用各种配置的MTS辐射结构来提供智能波束操控和波束形成，其中，使用天线的电气变化来实现降低复杂性、减少处理时间、并且使能高达约360゜视野的快速扫描以用于长距离目标检测的相移和调整。

还应该明白的是，天线系统600支持具有改善的传感器性能的自动驾驶、全天候/全条件检测、高级决策算法、以及通过传感器融合与其他传感器的交互。这些配置优化了雷达传感器的使用，因为在很多应用(例如，自驾驶汽车)中雷达不受天气条件的限制。提前捕捉环境信息的能力有助于对车辆的控制，允许预测危险和变化的条件。天线系统600使得汽车雷达能够重构它们周围的环境并且实际上是能够在融入到天线系统600中的图5的相移网络系统500提供的360°相移的帮助下具有对于世界的三维视觉和像人类一样的理解的雷达“数字眼”。

应该明白的是，提供所公开的示例的以上描述，以使本领域任何技术人员都能够制造或使用本公开。对于这些示例的各种修改对本领域技术人员来说是显而易见的，并且本文定义的一般原则可以在不偏离本公开的精神和范围的条件下应用于其他示例。因此，本公开不意图局限于本文示出的示例，而是被赋予根据本文公开的原理和新颖特征的最宽范围。