關于24 GHz FMCW雷達收發(fā)器芯片組性能分析

ADF5904：4通道、24 GHz接收機下變頻器MMIC :ADF5904集成式多通道接收機下變頻器具有10 dB噪聲系數(shù)性能，優(yōu)于競爭型對手器件3 dB。 該器件功耗低50%，采用小型、性價比高的5 mm × 5 mm LFCSP塑料封裝。

該器件的四個片內(nèi)接收通道采用簡單的單端連接與四個獨立天線相連，從而簡化了射頻傳輸線設計和PCB布局布線，同時縮小了電路板尺寸。接收機下變頻器可同時直接放大并轉(zhuǎn)換4路24 GHz接收機信號，以產(chǎn)生高質(zhì)量、高幅度基帶信號或降低頻率信號，以便輕松連接ADI 4通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器或模擬前端(AFE)。 ADF5904還提供集成式溫度傳感器，無需使用分立式檢測元件；這些元件原本可能需要在系統(tǒng)裝配和測試期間占用額外的時間與資源來校準。

ADF5904針對采用數(shù)字波束成形的多通道接收機高頻應用設計，如汽車ADAS雷達、微波雷達傳感器和工業(yè)雷達系統(tǒng)；在這些應用中，能效正在成為越來越重要的系統(tǒng)級設計考慮因素。 ADF5904 24 GHz接收機具有同類一流的接收機靈敏度，相比競爭型RF IC技術(shù)整體功耗更低，因而適合此類應用以及其他傳感器應用。

主要特性

?4個接收通道，接收機通道增益： 22 dB
?噪聲系數(shù)： 10 dB，P1dB： –10 dBm
?功耗： 0.5 mW（全部4個通道開啟）
?LO輸入范圍： -8 dBm至+5 dBm
?接收機至IF隔離： 30 dB
?RF信號帶寬： 250 MHz
?模擬輸出的片內(nèi)溫度傳感器：

圖1. ADF5904，4通道、24 GHz接收機下變頻器MMIC

技術(shù)細節(jié)

ADF5904是一款4通道、24 GHz接收機MMIC，其中4個RF通道頻率下變頻至差分基帶信號，然后直接驅(qū)動至專用多通道ADC，以便對輸入模擬接收機信號進行數(shù)字化處理。 這些數(shù)字信號可通過快速傅里葉變換(FFT)或其他運行在系統(tǒng)微處理器上的復雜雷達檢測軟件算法進行驗算，以便檢測出現(xiàn)在雷達傳感器系統(tǒng)前方的目標，并實現(xiàn)目標的速度、距離和位置的計算。

ADF5904使用本振輸入信號或發(fā)射機配套IC（稱為ADF5901）產(chǎn)生的LO源對接收機信號進行下變頻處理。 ADF5904上的所有RF輸入均為簡單的單端輸入，它們內(nèi)部連接至集成式巴倫，用來將接收機信號轉(zhuǎn)換為差分信號，以實現(xiàn)更高的放大性能和下變頻處理。 設計IC的RF端口與印刷電路板(PCB)天線的連接時，單端RF接口連接可大幅簡化PCB設計任務；此時只需50 Ω PCB線路走線即可，無需外部匹配無源元件，節(jié)省了大量的電路板空間。 ADF5904的眾多技術(shù)亮點之一，是在如此高的集成度以及采用低成本塑料封裝的情況下還能具備30 dB的一流接收機間通道隔離性能。 為了保持30 dB的出色接收機間隔離性能，需仔細設計圍繞接收機輸入引腳的RF布局。

這4個接收機信號路徑中的每一個均含有低噪聲放大器(LNA)，后接一個低噪聲混頻器和一個差分輸出放大器。 這4個通道共享ADF5901芯片產(chǎn)生的LO信號。 整體接收機鏈路具有22 dB固定增益，P1dB為–10 dBm，其低噪聲設計使接收機信號鏈具有10 dB噪聲系數(shù)，并且即使在所有4個接收機通道同時開啟以及采用3.3 V單電源的情況下亦可實現(xiàn)550 mW的極低功耗系數(shù)。 系統(tǒng)采用上電占空比后，總功耗還可進一步降低；未使用的接收機通道可獨立掉電，進一步降低功耗和熱管理。 ADF5904集成片上溫度傳感器，其作為模擬電壓連接A測試引腳，可監(jiān)測系統(tǒng)溫度。 ADF5904具有DOUT引腳，提供針對四線式SPI的簡單控制，允許回讀寄存器內(nèi)容，以檢查針對芯片控制寄存器的正確寫入操作。

ADF5901：2通道、24 GHz發(fā)射機MMIC

ADF5901是一款24 GHz發(fā)射機MMIC，片上集成24 GHz VCO，涵蓋250 MHz ISM頻段（24 GHz至24.25 GHz），該VCO連接至2個發(fā)射機PA，可提供8 dBm輸出功率、驅(qū)動接收機MMIC ADF5904的LO輸出，以及差分輔助輸出，以便通過ADF4159斜坡發(fā)生PLL進行閉環(huán)控制。 芯片組將這些元件相結(jié)合，形成了完整的24 GHz ISM雷達系統(tǒng)RF信號鏈。

驅(qū)動器件發(fā)射機輸出的片上VCO經(jīng)過頻率和功率校準，確保能在ISM頻段內(nèi)工作，同時保持最優(yōu)的VCO功率電平，保證了1 MHz失調(diào)時的–108 dBc/Hz出色相位噪聲。 該器件還集成發(fā)射機輸出功率校準電路，可校準發(fā)射機輸出功率，確保功率保持在允許的功率電平限值內(nèi)。 校準電路采用外部參考時鐘，此時鐘信號通過REFIN引腳向器件提供；同樣的參考時鐘可共享ADF4159 PLL的參考輸入。

為了適應功率校準，發(fā)射機提供片上功率檢波器，可檢測發(fā)射機輸出引腳上的功率。 功率檢波器用作校準引擎的一部分，控制輸出功率。 輸出功率校準在溫度和電源范圍內(nèi)精確。

采用片上R（基準電壓源）和N (RF)分頻器計數(shù)器可以校準VCO頻率，用來將分頻RF信號與來自參考時鐘的已知頻率信號對比。

這個N計數(shù)器模塊還可用于MUOUT引腳的饋入信號，從而允許芯片工作在開環(huán)鑒頻器系統(tǒng)中。 然后，它還需要額外的外部監(jiān)控電路來測量分頻VCO頻率和DAC轉(zhuǎn)換器，以便調(diào)節(jié)器件的VTUNE引腳，確保工作在ISM頻段。 此外，使用這種開環(huán)方法時，還需考慮溫度變化，確保頻率不會漂移到ISM頻段外。 所有這一切都需要DSP干預，來執(zhí)行校準。 使用ADF4159的閉環(huán)系統(tǒng)無需這些額外的DSP工作量，因為閉環(huán)PLL確保頻率的正確性，且沒有溫度或電源電壓變化效應，這使得這款器件更為穩(wěn)定且易于使用。

ADF5901上的兩個發(fā)射機輸出單獨受控，支持虛擬天線和雷達傳感器的MIMO操作。

ADF5901上的發(fā)射機和LO輸出為單端輸出，方便RF與器件接口，并由于只需要50 Ω PCB走線而減少PCB設計任務。

ADF5901上的LO輸出具有固定輸出功率，用于驅(qū)動ADF5904接收機芯片上的LO輸入。 功率電平足以讓它驅(qū)動多個ADF5904接收機器件，且需要外部元件以便支持接收機通道數(shù)更多的可擴展系統(tǒng)。

差分輔助輸出支持對基波VCO頻率進行2分頻或4分頻輸出。 因此，同時提供12 GHz或6 GHz輸出，可讓ADF4158或ADF4159斜坡發(fā)生PLL用于反饋路徑，鎖定ADF5901 VCO，同時生成所需的高度線性FMCW調(diào)制斜坡。

此外，ADF5901片上集成溫度傳感器，支持ATEST引腳輸出模擬信號。 另外，可以通過片上8位ADC對傳感器信號進行數(shù)字化處理，產(chǎn)生的數(shù)字字回讀至DOUT數(shù)字引腳。 DOUT引腳還可用來回讀寄存器，檢查芯片控制寄存器的寫入操作正確性。 器件關斷后，3.3 V單電源以100%占空比退出700 mW——系統(tǒng)占空比降低總功耗。

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

ADF4159 PLL具有同類一流的相位噪聲性能（歸一化相位噪聲FOM為–224 dBc/Hz），并提供靈活的斜坡調(diào)制方案，用于FMCW操作。 該器件的最大PFD頻率為110 MHz，支持慢斜坡（1 ms至10 ms）和快斜坡（20 ms至1 ms）概念。 ADF4159的最大RF輸入頻率為13 GHz，可與發(fā)射機IC ADF5901的輔助輸出輕松實現(xiàn)接口，完成閉環(huán)FMCW生成。 ADF4159靈活斜坡生成引擎支持多種三角和鋸齒斜坡曲線，具有靈活的時間和頻率偏差。 此外，它還支持快斜坡曲線，最大程度減少斜坡折回階段的過沖/欠沖，并最大化RF帶寬掃描頻率，實現(xiàn)雷達系統(tǒng)的精細范圍分辨率。 ADF5901與ADF5904的接口無需外部無源元件，因而無需使用昂貴的高頻電容。 ADF5901和ADF4159之間的輔助信號無需藉由耦合電容實現(xiàn)。 全部三款IC均提供出色的ESD性能，且完全符合AEC-Q100標準，保證了更為穩(wěn)定的傳感器設計。

雷達系統(tǒng)優(yōu)勢

如圖2所示，當用來構(gòu)建雷達傳感器執(zhí)行器，并且每一dB的接收機靈敏度提升及檢測范圍都至關重要時，芯片組提供的這些高性能規(guī)格組合就顯得十分必要。 很多基于IC的雷達系統(tǒng)都受限于發(fā)射機（相位噪聲）和接收機噪聲，從而限制了接收機的總信噪比(SNR)。 當存在或靠近較大物體時，通常這會限制雷達系統(tǒng)檢測較小物體或目標。 在實際的雷達應用中，當信號繁忙或嘈雜時——目標場景包括存在雜亂的接地信號——所有這一切都會累積，增加系統(tǒng)相位噪聲，降低雷達接收機靈敏度。

圖2. ADI 24 GHz全信號鏈產(chǎn)品

較高的系統(tǒng)噪聲會屏蔽或隱藏較小的目標并阻止檢測，從而可能導致傳感器安全問題。 例如用在汽車檢測等存在大目標（以及非常大的目標，比如反射墻或?？康能囕v導致兒童難以分辨）的情況下需要更好地檢測小目標（比如兒童或小障礙物）的應用中。

ADF5904出色的低噪聲系數(shù)（優(yōu)于競爭型產(chǎn)品3 dB）使其具備性能與功耗亮點，搭配配套IC（發(fā)射機ADF5901芯片和ADF4159 PLL）使用后兼具高性能相位噪聲、輸出功率和高速斜坡能力，使該器件針對傳感器具有更低的噪底性能。 可以實現(xiàn)更高的接收機系統(tǒng)SNR，提供更為可靠、值得信賴的檢測，并具有更快的結(jié)果參數(shù)估算能力。 該集成式芯片組的高性能特性為雷達系統(tǒng)設計人員提供至少兩倍的靈敏度提升，以及多達1.5倍的檢測范圍提升，而總功耗則大幅降低，從而使小尺寸傳感器的性能更為穩(wěn)定可靠，易于設計。

圖3. 智能交通燈雷達傳感器 3D目標跟蹤