典型的相控陣CWD架構中，64至128個超聲傳感器在孔徑中心附近均分成兩部分，一半的傳感器單元用於發送器
，聚焦超聲CWD發射波束，另一半用於接收器

，聚焦接收波束。作用在發射單元的信號是方波信號，典型頻率為1.0MHz至7.5MHz多普勒頻率。將適當相位的信號作用到發射單元來聚焦發射波束。同樣
，CWD接收信號通過對每個接收單元的信號進行相位調整、求和進行聚焦。

 

“波束成型”CWD接收信號由固態組織反射的強信號(通常稱其為雜波)以及流動的血液反射回來的較弱的多普勒信號組成。每個相控陣接收通道輸入端的典型雜波可能高達200mVP-P
，而接收機參考輸入的噪底會低至1nV/。為了優化接收性能，需要每通道的SNR達到大約157dBc/Hz。

 

對於一個64通道的CWD接收機，其SNR的要求非常極端。每個接收通道的噪聲不相關，結果對於64個通道的噪底，波束成型後的信號噪底可能比單個通道的噪底高出18dB。然而每個通道的CWD是相關的，波束成型後的CWD信號會比單個通道的CWD信號高出36dB。考慮到“求和增益”的作用
，波束成型後SNR的要求會比單個通道高出18dB
，達到175dBc/Hz! 更加困難的是
，感興趣的低速多普勒信號的頻率會在1kHz以內或低於雜波信號。由此可見超聲檢測設備麵臨巨大的設計挑戰。

 

 

目前，超聲係統大多采用模擬延時線接收器實現CWD信號檢測(圖1)，來自超聲接收單元的輸入信號經過緩衝、放大，LNA提供大約20dB的增益。LNA輸出被轉換成電流信號
，隨後通過交叉開關和模擬延時線對RF頻率信號進行波束成型。

 

圖1. 基於CWD延時線的接收機簡化電路

 

這種架構很容易集成，因為它所需要的電壓-電流轉換器
、模擬開關、無源延時線以及單路I/Q混頻器很容易集成。通過配置交叉開關求和，適當的延時線抽頭切換信號，達到每個接收器的延時要求。

 

波束成型後的RF CWD信號混頻後得到基帶I、Q音頻信號，這兩路信號經過帶通濾波後由高分辨率ADC進行數字轉換，用於數字頻譜分析。RF至基帶的混頻處理通常是接收鏈路保證SNR的瓶頸
，這個處理過程對CWD的性能影響較大
，以64通道設計為例

，I/Q RF混頻器需要在處理波束成型信號時具有175dBc/Hz (1kHz頻偏)的動態範圍。

 

很hen難nan找zhao到dao或huo設she計ji能neng夠gou達da到dao這zhe一yi指zhi標biao的de混hun頻pin器qi，此ci外wai，本ben振zhen驅qu動dong信xin號hao還hai必bi須xu保bao持chi極ji低di的de抖dou動dong。遺yi憾han的de是shi很hen難nan從cong市shi場chang上shang獲huo得de能neng夠gou達da到dao這zhe樣yang指zhi標biao的de邏luo輯ji器qi件jian。雖sui然ranCWD延時線波束成型器能夠滿足結構緊湊的超聲係統的最低要求，上述性能的局限性也是亟待解決的問題。

 

 

為了獲得更高性能，在CWD係統中引入一個CWD混頻器/波束成型器，簡化框圖如圖2所示。該架構中，每個通道都具有一個I/Q混頻器，在基帶端(而非RF端)進行波束成型求和；每路I/Q混頻器的LO相位可以調節在n (n = 8至16相)個相位的其中之一。LO相位的變化將改變接收信號的相位，達到波束成型的目的。

 

圖2. 低功耗雙極型LNA和CWD混頻器/波束成型電路能夠簡化高性能CWD接收機的設計

 

由於混頻器的實現基於每個通道，對每個通道混頻器的要求可以降低到157dBc/Hz (1kHz頻偏)。這一SNR指標雖然苛刻，但利用雙極型混頻器和標準邏輯器件可以實現。混頻器輸出為電流，而且在聲波基帶進行無源求和，可以滿足CWD波束成型的SNR要求。

 

 

過去
，由於缺乏適當的集成工藝，很難實現高性能的CWD波束成型架構。但目前這一問題已經得到解決，對於功耗不敏感的應用無需降低CWD和成像質量
，可以使用帶有可編程CWD混頻器/波束成型器的集成雙極型八通道VGA。圖3給出了接收鏈路的MAX2038 VGA原理圖。

 

圖3. 由MAX2038和MAX2034構成的超聲接收機的單通道簡化框圖。MAX2038集成了八路VGA和CWD I/Q混頻器/波束成型器，MAX2034集成了四路LNA。

 

對於功耗和空間要求苛刻的高端應用，可以選擇圖4所示MAX2078新款、具有更高集成度、更低功耗的解決方案。該款完全集成的八通道接收器在單芯片雙極型IC中包含了：LNA、VGA、抗混疊濾波器以及完全可編程的CWD混頻器/波束成型器，這些器件使得各種超聲係統不再受早期延時線CWD架構的製約，能夠達到出色的CWD性能。

 

圖4. MAX2078超低功耗
、八通道超聲接收器，帶有CWD波束成型器，器件內部集成了八個高性能、低功耗超聲接收通道，每個通道包括：LNA
、VGA、抗混疊濾波器以及完全可編程的I/Q混頻器/波束成型器。

 

構建CWD接收器的另外一個潛在問題是LNA放大器的SNR指標，為了降低功耗、減小尺寸，許多超聲設計人員選擇了CMOS LNA，這樣的器件可能適合某些能夠控製CWD性能的應用。利用幾何尺寸低於0.35µm的CMOS工藝製作放大器時需要特別注意這個問題
，在如此小尺寸的製造工藝中生產出的電路往往具有較大的1/f噪聲，1/f噪聲會引起LNA增益的低頻調製，這是一個極其負麵的影響。

 

較強的RF CWD雜波通過這種LNA時將產生較大的低頻調製噪聲，從而降低SNR指標和CWD檢測靈敏度。因此，為了滿足高性能的應用需求
，應選擇類似於MAX2034 4通道超聲LNA的低功耗雙極型放大器。

 

本文來源於Maxim。