適用于汽車和工業(yè)傳感器應(yīng)用的高性能集成雷達(dá)收發(fā)器芯片組

作者：John Morrissey and Patrick Walsh

ADF5904是一款高度集成的4通道24 GHz接收器下變頻器MMIC，具有低噪聲性能、高線性度和低功耗的業(yè)界最佳組合。ADF5904集成式多通道接收器下變頻器可實(shí)現(xiàn)10 dB噪聲系數(shù)，比競(jìng)爭(zhēng)器件高3 dB。在功耗降低 50% 的同時(shí)，它采用小型、經(jīng)濟(jì)高效的 5 mm × 5 mm LFCSP 塑料封裝。該器件的四個(gè)片上接收通道均使用簡(jiǎn)單的單端連接連接到四個(gè)單獨(dú)的天線，從而簡(jiǎn)化了RF傳輸線設(shè)計(jì)和PCB布局，并減小了電路板尺寸。接收器下變頻器同時(shí)直接放大和轉(zhuǎn)換四個(gè)24 GHz接收信號(hào)，以產(chǎn)生高質(zhì)量、高幅度基帶或低頻信號(hào)，可輕松連接到ADI 4通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器或模擬前端（AFE）。ADF5904還提供集成溫度傳感器，無(wú)需分立式檢測(cè)元件，否則在系統(tǒng)組裝和測(cè)試期間可能需要額外的時(shí)間和資源進(jìn)行校準(zhǔn)。

ADF5904專為多通道接收器、使用數(shù)字波束成形的高頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)，例如汽車ADAS雷達(dá)、微波雷達(dá)傳感器以及工業(yè)雷達(dá)系統(tǒng)環(huán)境，在這些環(huán)境中，能效正成為更重要的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)考慮因素。ADF5904 24 GHz接收器提供一流的接收器靈敏度，同時(shí)使用比競(jìng)爭(zhēng)RF IC技術(shù)更低的總功耗，從而支持這些和其他傳感器應(yīng)用。

主要特點(diǎn)

四個(gè)接收通道，接收器通道增益：22 dB

噪聲系數(shù)： 10 dB， P1dB： –10 dBm

功耗：0.5 mW（所有四個(gè)通道均已通電）

LO 輸入范圍：–8 dBm 至 +5 dBm

接收器至中頻隔離：30 dB

射頻信號(hào)帶寬：250 MHz

帶模擬輸出的片上溫度傳感器：±5°

圖1.ADF5904，四通道、24 GHz接收器下變頻器MMIC。

技術(shù)細(xì)節(jié)

ADF5904是一款4通道、24 GHz接收器MMIC，其中四個(gè)RF通道的頻率下變頻為差分基帶信號(hào)，然后可以直接驅(qū)動(dòng)到專用多通道ADC中，對(duì)輸入的模擬接收器信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。這些數(shù)字信號(hào)可以使用快速傅里葉變換（FFT）和在系統(tǒng)微處理器上運(yùn)行的其他復(fù)雜雷達(dá)檢測(cè)軟件算法進(jìn)行詢問(wèn)，以檢測(cè)出現(xiàn)在雷達(dá)傳感器系統(tǒng)前面的目標(biāo)，并能夠計(jì)算目標(biāo)速度、距離和位置。

ADF5904使用發(fā)送器配套IC上產(chǎn)生的本振輸入信號(hào)或LO源（稱為ADF5901）對(duì)接收器信號(hào)進(jìn)行下變頻。ADF5904上的所有RF輸入均為簡(jiǎn)單的單端輸入，這些輸入在內(nèi)部連接到集成巴倫，用于將接收器信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)更高性能的放大和下變頻處理。單端RF接口連接大大簡(jiǎn)化了PCB設(shè)計(jì)任務(wù)，設(shè)計(jì)IC與印刷電路板（PCB）天線的RF端口連接，其中只需要50 Ω PCB走線，無(wú)需外部匹配的無(wú)源元件，從而節(jié)省了大量電路板空間。ADF5904的眾多技術(shù)亮點(diǎn)之一是，即使在低成本塑料封裝中高度集成，它也能實(shí)現(xiàn)30 dB的世界級(jí)接收器間通道隔離性能。需要圍繞接收器輸入引腳進(jìn)行仔細(xì)的RF布局，以保持出色的30 dB接收器間隔離性能。

四個(gè)接收器信號(hào)路徑中的每一個(gè)都包含一個(gè)低噪聲放大器（LNA），后跟一個(gè)低噪聲混頻器和一個(gè)差分輸出放大器。四個(gè)通道共享ADF5901芯片產(chǎn)生的LO信號(hào)。整個(gè)接收器鏈具有22 dB的固定增益，P1dB為–10 dBm，低噪聲設(shè)計(jì)可為接收器信號(hào)鏈產(chǎn)生10 dB的噪聲系數(shù)，同時(shí)即使所有四個(gè)接收器通道一起上電并由3.3 V單電源供電，也能實(shí)現(xiàn)550 mW的極低功耗。通過(guò)系統(tǒng)的上電占空比，可以進(jìn)一步降低總功耗，并且可以單獨(dú)關(guān)閉未使用的接收器通道，從而節(jié)省更多的功耗和熱管理。ADF5904內(nèi)置一個(gè)片內(nèi)溫度傳感器，作為模擬電壓連接到A測(cè)試引腳，用于監(jiān)控系統(tǒng)溫度。ADF5904通過(guò)DOUT引腳對(duì)4線SPI進(jìn)行簡(jiǎn)單控制，允許回讀寄存器，以檢查芯片控制寄存器的正確寫入操作。

ADF5901，2通道、24 GHz發(fā)射MMIC

ADF5901是一款24 GHz發(fā)射器MMIC，片內(nèi)24 GHz VCO，跨越24 GHz至24.25 GHz的250 MHz ISM頻段，連接到兩個(gè)可提供8 dBm輸出功率的發(fā)射器PA、用于驅(qū)動(dòng)接收器MMIC ADF5904的LO輸出和差分輔助輸出，允許使用ADF4159斜坡生成PLL進(jìn)行閉環(huán)控制。當(dāng)組合在一起時(shí)，該芯片組為24 GHz ISM雷達(dá)系統(tǒng)完善了RF信號(hào)鏈。

驅(qū)動(dòng)器件發(fā)射器輸出的片內(nèi)VCO經(jīng)過(guò)頻率和功率校準(zhǔn)，以確保在ISM頻段內(nèi)工作，并保持最佳VCO功率水平，以確保–108 dBc/Hz @ 1 MHz偏移的出色相位噪聲性能。該器件還包含發(fā)射器輸出功率校準(zhǔn)電路，用于校準(zhǔn)發(fā)射器輸出功率，以確保功率保持在允許的功率電平限制范圍內(nèi)。校準(zhǔn)電路由提供給REF器件的外部參考時(shí)鐘運(yùn)行在針;相同的參考時(shí)鐘可以與ADF4159 PLL上的基準(zhǔn)輸入共享。

為了適應(yīng)功率校準(zhǔn)，發(fā)射器輸出端有片內(nèi)功率檢測(cè)器，用于測(cè)量發(fā)射器輸出引腳的功率。功率檢測(cè)器用作校準(zhǔn)引擎的一部分來(lái)控制輸出功率。輸出功率校準(zhǔn)在整個(gè)溫度和電源范圍內(nèi)是準(zhǔn)確的。

VCO頻率校準(zhǔn)使用片內(nèi)R（基準(zhǔn)）和N（RF）分頻器計(jì)數(shù)器執(zhí)行，用于將分頻RF信號(hào)與參考時(shí)鐘的已知頻率信號(hào)進(jìn)行比較。

該 N 計(jì)數(shù)器塊也可用于為 MU 供電外引腳，允許芯片在開環(huán)頻率鑒別器系統(tǒng)中運(yùn)行。這需要額外的外部監(jiān)視電路來(lái)測(cè)量分壓的VCO頻率，并需要一個(gè)DAC轉(zhuǎn)換器來(lái)調(diào)整V調(diào)整部件的引腳，以確保其在ISM頻帶內(nèi)工作。此外，使用這種開環(huán)方法時(shí)，必須考慮溫度變化，以確保頻率不會(huì)漂移到ISM頻段之外。所有這些都需要DSP的干預(yù)才能進(jìn)行校準(zhǔn)。使用ADF4159的閉環(huán)系統(tǒng)消除了額外的DSP工作量，因?yàn)殚]環(huán)PLL可確保頻率正確，并且沒有溫度或電源電壓變化影響，從而使該器件更加穩(wěn)健且易于使用。

ADF5901上的兩個(gè)發(fā)射器輸出可單獨(dú)控制，允許雷達(dá)傳感器的虛擬天線和MIMO操作。

ADF5901上的發(fā)射器和LO輸出為單端輸出，簡(jiǎn)化了器件的RF接口，并減少了PCB設(shè)計(jì)任務(wù)，只需50 Ω PCB走線。

ADF5901上的LO輸出提供固定輸出功率，用于驅(qū)動(dòng)ADF5904接收器芯片上的LO輸入。功率電平足以驅(qū)動(dòng)多個(gè)ADF5904接收器器件，無(wú)需外部元件，即可實(shí)現(xiàn)具有更高接收器通道數(shù)的可擴(kuò)展系統(tǒng)。

差分輔助輸出允許從基波VCO頻率分頻2分頻或4分頻輸出。因此，提供12 GHz或6 GHz輸出，允許在反饋路徑中使用ADF4158或ADF4159斜坡生成PLL，以鎖定ADF5901 VCO，并生成所需的高度線性FMCW調(diào)制斜坡。

此外，ADF5901內(nèi)置一個(gè)片內(nèi)溫度傳感器，允許在ATEST引腳上提供模擬輸出?；蛘?，傳感器信號(hào)可以使用片內(nèi)8位ADC進(jìn)行數(shù)字化，產(chǎn)生的數(shù)字字回讀在D上。外數(shù)字引腳。該 D外引腳還可用于回讀寄存器，以檢查對(duì)芯片控制寄存器的正確寫入操作。當(dāng)器件斷電時(shí)，3.3 V單電源以100%占空比消耗700 mW，系統(tǒng)中具有占空比，從而降低整體功耗。

ADF4159—13 GHz小數(shù)N分頻FMCW斜坡發(fā)生PLL

ADF4159 PLL提供同類最佳的相位噪聲性能（歸一化相位噪聲FOM為–224 dBc/Hz），并具有靈活的斜坡調(diào)制方案，適用于FMCW工作。該器件的最大PFD頻率為110 MHz，支持慢斜坡（1 ms至10 ms）和快速斜坡（20 ms至1 ms）概念。ADF4159的最大RF輸入頻率為13 GHz，可輕松連接到發(fā)射器IC ADF5901輔助輸出，以完成閉環(huán)FMCW生成。ADF4159靈活的斜坡生成引擎支持各種三角形和鋸齒形斜坡曲線，具有靈活的時(shí)間和頻率偏差。它還支持快速斜坡配置文件，可在斜坡回溯期間最大限度地減少過(guò)/欠沖，從而最大限度地提高RF帶寬掃描頻率，從而在雷達(dá)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)精細(xì)的距離分辨率。ADF5901和ADF5904之間無(wú)需外部無(wú)源元件，無(wú)需昂貴的高頻電容。ADF5901和ADF4159之間的輔助信號(hào)無(wú)需耦合電容。這三款I(lǐng)C均提供出色的ESD性能，并完全符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，以確保更穩(wěn)健的傳感器設(shè)計(jì)。

雷達(dá)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

如圖3所示，該芯片組提供的組合高性能規(guī)格在用于構(gòu)建雷達(dá)傳感器執(zhí)行器時(shí)非常重要，因?yàn)樘岣呓邮掌黛`敏度和檢測(cè)范圍的每一dB都很重要。許多基于IC的雷達(dá)系統(tǒng)受發(fā)射器（相位噪聲）和接收器噪聲的限制，導(dǎo)致接收器的整體信噪比（SNR）有限。這通常會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)系統(tǒng)在存在或靠近較大物體時(shí)檢測(cè)較小物體或目標(biāo)的限制。在實(shí)際雷達(dá)應(yīng)用中，繁忙或雜亂的目標(biāo)場(chǎng)景（包括地面雜波）都存在，這些場(chǎng)景都會(huì)累積增加系統(tǒng)相位噪聲，并使雷達(dá)接收器脫敏。

圖2.智能交通燈雷達(dá)傳感器。3D 對(duì)象跟蹤。

圖3.ADI公司的24 GHz全信號(hào)鏈產(chǎn)品。

較高的系統(tǒng)噪聲會(huì)掩蓋或隱藏小目標(biāo)并阻止檢測(cè)，這可能會(huì)導(dǎo)致傳感器安全問(wèn)題。例如，如果用于汽車檢測(cè)應(yīng)用，則在存在大目標(biāo)（例如兒童或小桿）的情況下，在存在非常大的目標(biāo)（如反射墻或遮擋兒童的停放車輛）的情況下，需要更好的小目標(biāo)檢測(cè)。

ADF5904出色的低噪聲系數(shù)（比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品高3 dB）與配套IC、發(fā)射器ADF5901芯片和ADF4159 PLL相結(jié)合，兼具高性能相位噪聲、輸出功率和高速斜坡能力，為傳感器提供了更低的本底噪聲性能?？梢詫?shí)現(xiàn)更高的接收機(jī)系統(tǒng)信噪比，并提供更可靠和可靠的檢測(cè)，并更快地進(jìn)行結(jié)果參數(shù)估計(jì)。集成芯片組的高性能使雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的靈敏度提高了至少 2×，檢測(cè)范圍提高了 1.5×，總體功耗大大降低，從而通過(guò)易于設(shè)計(jì)的小型傳感器實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大、更一致的性能。

審核編輯：郭婷