高靈敏度單天線FMCW雷達(dá)本申請要求于2012年2月22日提交的，美國臨時申請專利No.61/601,717的利益，其全部內(nèi)容通過引用方式并入本申請。

背景技術(shù)：
調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)可設(shè)計(jì)成從同一天線發(fā)射和接收，或用分離天線發(fā)射和接收。使用分離天線發(fā)射與接收，提供了在發(fā)射與接收路徑之間有所改進(jìn)的隔離度，代價是增加尺寸以容納每個天線并提供天線與天線之間的間隔。為了減小尺寸，雷達(dá)可被設(shè)計(jì)成通過單個天線發(fā)射與接收。然而，使用單個天線，雖然降低了發(fā)射與接收路徑間的隔離度，卻導(dǎo)致從發(fā)射路徑至接收路徑的信號耦合的增加。來自發(fā)射路徑的這些信號在接收路徑中呈現(xiàn)為噪音并降低了接收器的靈敏度。如果發(fā)射路徑中足夠的信號與接收路徑相耦合，發(fā)射信號會完全地淹沒接收信號。在高精度雷達(dá)應(yīng)用中，如用于飛機(jī)的雷達(dá)高度計(jì)中，雷達(dá)的靈敏度至關(guān)重要。雷達(dá)工作的頻率范圍對雷達(dá)的性能也有影響。雷達(dá)使用的頻率范圍可基于可用頻譜以及雷達(dá)正測量的距離。例如，飛機(jī)雷達(dá)高度計(jì)可能需要測量大范圍的距離，從15000英尺至5英尺。并且，商業(yè)雷達(dá)高度計(jì)目前需要在4.2-4.4GHz之間工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
一個實(shí)施例涉及一種調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)，具有單個天線。雷達(dá)包括與單個天線相耦合的發(fā)射路徑，并且被配置成向那里提供FMCW信號。發(fā)射路徑包括由鎖相環(huán)控制的壓控振蕩器，并且鎖相環(huán)包括分?jǐn)?shù)n合成器集成電路(IC)，其被配置成實(shí)現(xiàn)FWCW斜坡波形，其從起始頻率至結(jié)束頻率發(fā)生斜坡，并且一旦到達(dá)結(jié)束頻率就返回至起始頻率以再次發(fā)生斜坡。所述雷達(dá)也包括與單個天線相耦合的接收路徑，并被配置成包括作為反射信號的FMCW信號的反射版本，以及作為泄漏信號的通過環(huán)行器泄漏的一部分FMCW信號。接收路徑包括被配置成在接收路徑中過濾與采樣信號的組件。雷達(dá)還包括耦合在發(fā)射路徑上的耦合器與接收路徑中的混頻器之間的延遲路徑。所述延遲路徑包括延遲元件，其被配置成延遲來自發(fā)射路徑的本地振蕩器參考信號，使得通過延遲路徑從耦合器到混頻器的本地振蕩器參考信號的傳播時間在反射信號傳播時間和泄漏信號傳播時間之間，其中所述混頻器被配置成從接收路徑的信號中減去本地振蕩器參考信號。附圖說明應(yīng)理解附圖僅描述示范性實(shí)施例，并因此不被認(rèn)為是限制范圍，示范性實(shí)施例通過使用附圖由附加特征和細(xì)節(jié)來描述，其中：圖1是示例FMCW雷達(dá)的框圖。圖2是包括圖1的FMCW雷達(dá)的示例雷達(dá)高度計(jì)系統(tǒng)的框圖。圖3是示例雷達(dá)高度計(jì)系統(tǒng)的分解視圖。圖4是圖3雷達(dá)高度計(jì)系統(tǒng)的剖視圖。依照通常做法，各種描述的特征并不是按比例繪制，而是為了強(qiáng)調(diào)與示例性實(shí)施例相關(guān)的具體特征來繪制。具體實(shí)施方式在下面的詳細(xì)說明中，參考了形成其一部分的附圖，并且其中通過舉例說明示出了具體的說明性實(shí)施例。然而，應(yīng)當(dāng)理解，其他實(shí)施例可以被使用并可以進(jìn)行邏輯的、機(jī)械的、和電子的改動。此外，在附圖與說明書中所提供的方法不應(yīng)理解對為各個步驟的執(zhí)行順序進(jìn)行限制。因此，下面的詳細(xì)描述不應(yīng)被理解為限制性的。圖1是示例FMCW雷達(dá)100的框圖。FMCW雷達(dá)100能從具有高敏度的的單個天線102進(jìn)行發(fā)射和接收。環(huán)行器108耦合發(fā)射路徑104和接收路徑106至天線102，并提供接收路徑106與發(fā)射路徑104的謀個隔離度。在一個例子里，環(huán)行器108是常用市場上可得的環(huán)形器，并提供從耦合器116的輸出(從發(fā)射路徑104)至接收器混頻器118的輸入(至接收路徑106)的至少20dB的隔離度。盡管環(huán)行器108提供了從發(fā)射路徑104直接泄漏到接收路徑106的信號的隔離度，但環(huán)行器108并不阻止從單個天線102反射的來自發(fā)射路徑104的信號。在耦合到天線102的環(huán)行器108的端口處接收該反射信號110。由天線接收到的信號(這里也稱為“接收信號”)也在環(huán)行器108的端口處接收。環(huán)行器108允許反射信號110和接收信號都通過其至接收路徑106。該反射信號110的相位噪聲可以增加接收路徑106中的噪聲。因此，反射信號110是FWCW雷達(dá)100的關(guān)注點(diǎn)，因?yàn)榇笳穹瓷?10可導(dǎo)致連續(xù)發(fā)射的FWCW信號堵塞接收器，從而限制了靈敏度。為了解決這些反射110，天線102具有來自發(fā)射路徑104的低水平反射水平(至少低于入射水平20dB)，少于23dBm的發(fā)射器功率水平(如，放大器124)，和來自發(fā)射器的低相位噪聲(在100KHz偏移處優(yōu)于-120dBc/Hz)。來自天線102的反射量小于或等于環(huán)行器108的隔離度水平。來自天線102的反射量由兩項(xiàng)電壓駐波比(VSWR)和回波損耗所獲知。如果環(huán)行器108具有20dB的隔離度，回波損耗應(yīng)為20dB或更大。因此，反射功率水平將至少低于入射功率水平20dB。在一個例子中，天線102的VSWR小于1.2比1?？刂瓢l(fā)射器功率水平，即，放大器124的功率水平，以便于發(fā)射路徑104中FMCW信號的功率水平小于23dBm。因?yàn)榄h(huán)行器108有限的隔離度和來自可實(shí)現(xiàn)的天線102的反射水平(回波損耗大于20dB，VSWR＜1.2∶1)，具有太高功率的發(fā)射路徑104中的信號將導(dǎo)致太多功率到達(dá)接收路徑106中的混頻器118。FMCW雷達(dá)100還解決了發(fā)射器的相位噪聲，在下面將作出更詳細(xì)的討論。由于發(fā)射路徑104與接收路徑106之間環(huán)行器108的有限的隔離度，接收信號中的相位噪聲也可以從泄漏信號115中獲得。泄漏信號115是通過環(huán)行器108從發(fā)射路徑104泄漏至接收路徑106中。由于泄漏信號115可能與反射信號110具有相同量級，由泄漏路徑所貢獻(xiàn)的發(fā)射器的相位噪聲也將導(dǎo)致接收器靈敏度的嚴(yán)重降低。FWCW雷達(dá)100中的反射信號110和泄漏信號115的噪聲也可通過使用延遲匹配路徑112被限制。延遲匹配路徑112使用參考信號(在此也稱為“本地振蕩器參考信號114”)以取消來自反射信號110和泄漏信號115的發(fā)射器相位噪聲，否則其將被轉(zhuǎn)換成接收路徑106中的噪聲且降低靈敏度。本地振蕩器參考信號114是來自發(fā)射路徑104的部分信號，發(fā)射路徑104與延遲匹配路徑112通過耦合器116耦合。此本地振蕩器參考信號114連同從天線102到達(dá)的信號被提供給混頻器118?；祛l器118有效地從從天線102到達(dá)的信號減去本地振蕩器參考信號114。為了消除來自反射信號110和泄漏信號115的相位噪聲，通過延遲路徑112從耦合器116至混頻器118的本地振蕩器參考信號114的傳播時間(T120)基于從天線102的耦合器116離開且至混頻器118的反射信號110的傳播時間(T110)來設(shè)置。反射信號110的傳播時間(T110)是基于從耦合器116到天線102和從天線102到混頻器118的距離。因此，傳播時間(T110)是基于FWCW雷達(dá)100經(jīng)過對應(yīng)元件和連接傳輸線的電信號路徑的物理長度。此外，反射信號110的傳播時間(T110)也基于從天線102被反射的信號的傳播速度。在一個例子中，天線102被選擇具有所預(yù)期的群延遲特性。群延遲是指反射自天線102的那些信號在不同頻率下的傳播信號的速度。特別是，許多天線對不同頻率的信號具有不同傳播速度。在這種具有不同傳播速度的天線中，可能更難以消除反射信號110，因?yàn)榉瓷湫盘?10內(nèi)的不同頻率以不同的隊(duì)列來自它們在發(fā)射路徑104中的地方。而且，許多天線在傳播速度與頻率之間存在非線性關(guān)系，增加了消除的難度。天線110的群延遲的實(shí)質(zhì)上大變化被觀察為反射信號110延遲時間的大變化。如果這些大變化存在，延遲路徑將針對在群延遲所影響的反射信號110保持不變時的部分時間提供混頻器118。在其偏離(變得更短或更長)的情況下消除效果會降低。因此，即使提供延遲路徑112，仍難以處理群延遲中的大變化。為了幫助消除來自反射信號110的相位噪聲，選擇天線102以具有在反射信號110的頻率上足夠平坦的群延遲，通常的量級為+/-lnSec。在一個例子中，該天線在所發(fā)送的FMCW信號的整個掃頻帶寬上具有基本平坦的群延遲。在一個例子中，延遲匹配路徑114的傳播時間(T120)被設(shè)置在反射信號110的傳播時間(T110)與泄漏信號115的傳播時間之間。特別的，在反射信號110的傳播時間(T110)與泄漏信號115的傳播時間的范圍之間，延遲匹配路徑114的傳播時間(T120)可被設(shè)置為更接近在接收路徑106中更強(qiáng)的信號(反射或泄漏)的傳播時間。相對于另一個較強(qiáng)的信號(反射或泄漏)，可以確定被設(shè)置的延遲匹配路徑114的傳播時間(T120)與那個信號的傳播時間有多接近。為了設(shè)置本地振蕩器參考信號114的傳播時間(T120)，延遲匹配路徑112包括向延遲元件120提供本地振蕩器參考信號114的設(shè)定延遲?；祛l器118被配置成組合本地振蕩器參考信號114與來自環(huán)行器108的信號(包括反射信號110)。在一個例子中，延遲元件120包括傳播路徑，其長度基本等于以秒為單位的設(shè)定的延遲乘以本地振蕩器參考信號114的傳播速度。因此，設(shè)定的延遲可通過調(diào)整延遲路徑112的傳播路徑的長度來配置。在一個例子中，延遲元件120可被配置，使得延遲匹配路徑112的距離在距耦合器116至天線102再至混頻器118的距離的0.05米內(nèi)。因?yàn)閮蓷l路徑之間的長度的差降低，相位噪聲消除增加。在一個例子中，耦合器116是混合耦合器，使得從環(huán)行器108反射的信號在負(fù)載中終止。泄漏信號115的電子路徑的物理長度比反射信號110的短。因此，反射信號110的電子長度保持短(例如，盡可能的短)，以便減少泄漏信號115的長度與反射信號110的長度之間的差。為減少反射信號110的長度，天線102被緊密(例如，物理上盡可能緊密)連接至環(huán)行器108。特別的，天線102不能遠(yuǎn)離環(huán)行器108放置，否則整個系統(tǒng)的益處(增加靈敏度)將受損。在一個例子中，天線102由一個或多個諧振元件組成，并在環(huán)行器108的1至2厘米內(nèi)。天線102距耦合器116越接近，延遲元件120需要的延遲越少。FMCW雷達(dá)100的發(fā)射路徑104產(chǎn)生從雷達(dá)100傳播的FMCW線性斜坡信號。FWCW線性信號可隨時間從起始頻率至結(jié)束頻率而在頻率上產(chǎn)生斜坡(例如，遞增斜坡)。一旦達(dá)到結(jié)束頻率，F(xiàn)MCW線性信號就能返回起始頻率以便重復(fù)斜坡。在一些例子中，返回起始頻率可以是與從起始頻率至結(jié)束頻率的斜坡有著相同速率的斜坡(例如，遞減斜坡)?？墒牵诹硗獾睦又?，返回起始頻率是立即的(例如，沒有斜坡)。在任何情況下，F(xiàn)MCW線性信號可包括從起始頻率至結(jié)束頻率的重復(fù)線性斜坡。調(diào)制越呈線性，信噪比越好且距離分辨率越好。由于接收機(jī)頻譜擴(kuò)展和分辨率降級，如果調(diào)制具有非線性誤差，雷達(dá)靈敏度就會減少。正如已知的那樣，這種重復(fù)FMCW線性斜坡信號可被用于雷達(dá)以確定至反射FMCW線性斜坡信號的物體的距離。利用壓控振蕩器(VCO)122和發(fā)射放大器124生成FMCW信號。VCO122由鎖相環(huán)(PLL)控制。PLL包括分?jǐn)?shù)n合成器126來控制VCO122。分?jǐn)?shù)n合成器包括集成電路(IC)芯片，其可達(dá)到或超過這里列出的所有性能的最小值。此外，此處指出的PLL的其他組件要求一些性能的最小值。性能最小值包括：分?jǐn)?shù)n合成器126具有的相位檢測器頻率至少為100MHz。因此，在操作期間，將分?jǐn)?shù)n合成器126的相位檢測器頻率設(shè)置成100MHz或更大。在一個例子中，將合成器相位檢測器頻率設(shè)置成160MHz。性能最小值還包括：主時鐘131在100KHz偏移處具有等于或優(yōu)于-150dBc/Hz的相位噪聲。PLL應(yīng)對于達(dá)到160MHz的相位檢測器頻率的分頻使用最低可能的比例。相位噪聲按20Log(分頻比)的速率增加。例如，如果參考頻率是160MHz，其對應(yīng)的分頻比是4300MHz/160Mhz＝26.875。在-150dBc/Hz處起始于主振蕩器的相位噪聲降級了20log(26.875)＝28.59dB。相位噪聲從-150dBc/Hz升至-150+28.59＝121.41dBc/Hz。如果參考頻率減少至100MHz，則分頻比為4300/100＝43。20log(43)＝32.66dB，這意味著主振蕩器-150dBc/Hz+32.66＝117dBc/Hz。在任何情況下，性能最小值包括：分頻為43和最低參考頻率為100MHz。性能最小值包括：分?jǐn)?shù)n合成器126采用的頻率步長足夠小，大約100Khz，以便用于導(dǎo)出高度范圍二進(jìn)制的傅里葉變換中不引起邊帶頻譜。然后，PLL環(huán)路濾波器提供頻率步長的平滑。從而，PLL的環(huán)路帶寬大約小于100KHz，其小于頻率步長尺寸。在一個例子中，性能最小值包括：分?jǐn)?shù)n合成器126提供裝置來響應(yīng)于處理設(shè)備132(例如，F(xiàn)PGA/PLD)發(fā)出的命令，而合成發(fā)射信號所預(yù)期的頻率掃描帶寬。分?jǐn)?shù)n合成器126由處理設(shè)備132來命令以設(shè)置起始頻率，結(jié)束頻率和需要的步長，以在預(yù)期的調(diào)制周期中達(dá)到所需的頻率掃描帶寬并保持FMCW線性斜坡信號處于所預(yù)期的范圍內(nèi)。一個滿足性能最小值的示例分?jǐn)?shù)n合成器126是來自模擬設(shè)備的雙模分?jǐn)?shù)-n/整數(shù)-n合成器ADF4159。在一個例子中，PLL可以還包括單獨(dú)的放大器128和環(huán)路濾波器130，以產(chǎn)生來自分?jǐn)?shù)n合成器126輸出的用于VCO122的調(diào)諧控制信號。在另一個例子中，如果分?jǐn)?shù)n合成器126的電荷泵可以直接驅(qū)動VCO122并且包括與電荷泵的輸出一起的環(huán)路濾波器組件，則不使用放大器128和環(huán)路濾波器130。分?jǐn)?shù)n合成器126通過安排小的固定頻率步長增加到起始頻率或從起始頻率開始減去小的固定頻率步長直至到達(dá)結(jié)束頻率來實(shí)現(xiàn)FMCW線性信號(波形)。分?jǐn)?shù)n頻率合成器126不使用相位累加器作為直接數(shù)字合成(DDS)體系結(jié)構(gòu)。信號的斜坡通過執(zhí)行線性步驟來實(shí)現(xiàn)。在一個例子中，發(fā)射放大器124的輸出是在4200-4400MHz之間的200MHz調(diào)制帶寬的線性頻率掃描。VCO122的輸出可以以4300MHz為中...