適於汽車和工業傳感器應用的 24GHz FMCW雷達收發器晶片組

2021-01-19 EDN電子設計技術
ADF5904：4通道、24GHz接收機下變頻器MMIC

ADF5904集成式多通道接收機下變頻器具有10dB噪聲係數性能，優於競爭型對手器件3dB。該器件功耗低50% ， 採用小型、性價比高的5mm×5mm LFCSP塑料封裝。該器件的四個片內接收通道採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並轉換4路24GHz接收機信號，以產生高質量、高幅度基帶信號或降低頻率信號，以便輕鬆連接ADI 4通道模數轉換器或模擬前端(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裝配和測試期間佔用額外的時間與資源來校準。uP8ednc

ADF5904針對採用數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
器和工業雷達系統，在這些應用中，能效正在成為越來越重要的系統級設計考慮因素。ADF5904 24GHz接收機具有同類一流的接收機靈敏度，相比競爭型RF IC技術整體功耗更低， 因而適合此類應用以及其它傳感器應用。uP8ednc

主要特性uP8ednc

4 個接收通道， 接收機通道增益：22dB；噪聲係數： 1 0 d B ， P 1 d B ：-10dBm；功耗：0.5mW(全部4個通道開啟)；LO輸入範圍：-8dBm至+5dBm；接收機至IF隔離：30dB；RF信號帶寬：250MHz；模擬輸出的片內溫度傳感器。

技術細節
ADF5904是一款4通道、24GHz接收機MMIC，其中4個RF通道頻率下變頻至差分基帶信號，然後直接驅動至專用多通道ADC，以便對輸入模擬接收機信號進行數位化處理。這些數位訊號可通過快速傅立葉變換(FFT)或其它運行在系統微處理器上的複雜雷達檢測軟體算法進行驗算，以便檢測出現在雷達傳感器系統前方的目標，並實現目標的速度、距離和位置的計算。uP8ednc

ADF5904使用本振輸入信號或發射機配套IC(稱為ADF5901) 產生的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，它們內部連接至集成式巴倫，用來將接收機信號轉換為差分信號，以實現更高的放大性能和下變頻處理。設計IC的RF埠與印刷電路板(PCB)天線連接時，單端RF接口連接可大幅簡化PCB設計任務。此時只需50Ω PCB線路走線即可，無需外部匹配無源元件，節省了大量的電路板空間。ADF5904的眾多技術亮點之一，是在如此高的集成度以及採用低成本塑料封裝的情況下還能具備30dB的一流接收機間通道隔離性能。為了保持30dB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。uP8ednc

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)，後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晶片產生的L O 信號。整體接收機鏈路具有2 2 d B 固定增益， P1dB
為-10dBm，其低噪聲設計使接收機信號鏈具有10dB噪聲係數，並且即使在所有4個接收機通道同時開啟以及採用3.3V單電源的情況下亦可實現5 5 0 m W的極低功耗係數。系統採用上電佔空比後， 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，可監測系統溫度。ADF5904具有DOUT引腳，提供針對四線式SPI的簡單控制，允許回讀寄存器內容，以檢查針對晶片控制寄存器的正確寫入操作。uP8ednc

ADF5901：2通道、24GHz發射機MMIC

ADF5901 是一款24GHz發射機MMIC ， 片上集成24GHz VCO，涵蓋250MHz ISM頻段(24GHz至24.25GHz)，該VCO連接至2個發射機PA，可提供8dBm輸出功率、驅動接收機MMIC ADF5904的LO輸出，以及差分輔助輸出，以便通過ADF4159斜坡發生PLL進行閉環控制。晶片組將這些元件相結合，形成了完整的24GHz ISM雷達系統RF信號鏈。uP8ednc

驅動器件發射機輸出的片上VCO經過頻率和功率校準，確保能在ISM頻段內工作，同時保持最優的VCO功率電平，保證了1MHz失調時的-108dBc/Hz出色相位噪聲。該器件還集成發射機輸出功率校準電路，可校準發射機輸出功率，確保功率保持在允許的功率電平限值內。校準電路採用外部參考時鐘，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。uP8ednc

為了適應功率校準，發射機提供片上功率檢波器，可檢測發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範圍內精確。uP8ednc

採用片上R(基準電壓源)和N(RF)分頻器計數器可以校準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。uP8ednc

這個N計數器模塊還可用於MUOUT引腳的饋入信號， 從而允許晶片工作在開環鑑頻器系統中。然後， 它還需要額外的外部監控電路來測量分頻VCO頻率和DAC轉換器，以便調節器件的VTU N E引腳，確保工作在ISM頻段。此外，使用這種開環方法時， 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幹預來執行校準。使用ADF4159的閉環系統無需這些額外的DSP工作量，因為閉環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定且易於使用。uP8ednc

ADF5901上的兩個發射機輸出單獨受控，支持虛擬天線和雷達傳感器的MIMO操作。ADF5901上的發射機和LO輸出為單端輸出，方便RF與器件接口，並由於只需要50Ω PCB走線而減少PCB設計任務。uP8ednc

ADF5901上的LO輸出具有固定輸出功率，用於驅動ADF5904接收機晶片上的LO輸入。功率電平足以讓它驅動多個ADF5904接收機器件，且需要外部元件以便支持接收機通道數更多的可擴展系統。uP8ednc

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12GHz或6GHz輸出，可讓ADF4158或ADF4159斜坡發生PLL用於反饋路徑，鎖定ADF5901 VCO，同時生成所需的高度線FMCW調製斜坡。uP8ednc

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位化處理，產生的數字回讀至DOUT數字引腳。DOUT引腳還可用來回讀寄存器，檢查晶片控制寄存器的寫入操作正確性。uP8ednc

ADF4159：13GHz小數N分頻FMCW斜坡發生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-224dBc/Hz)，並提供靈活的斜坡
調製方案，用於FMCW操作。該器件的最大PFD頻率為110MHz，支持慢斜坡(1ms至10ms)和快斜坡(20ms至1ms)概念。ADF4159的最大RF輸入頻率為13GHz，可與發射機IC ADF5901的輔助輸出輕鬆實現接口，完成閉環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衝/欠衝，並最大化RF帶寬掃描頻率，實現雷達系統的精細範圍解析度。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。
全部三款IC均提供出色的ESD性能，且完全符合AEC-Q100標準，保證了更為穩定的傳感器設計。uP8ednc

雷達系統優勢

當用來構建雷達傳感器執行器，並且每一dB的接收機靈敏度提升及檢測範圍都至關重要時，晶片組提供的這些高性能規格組合就顯得十分必要。 很多基於IC的雷達系統都受限於發射機(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，這通常會限制雷達系統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， 所有這一切都會累積， 從而增加系統相位噪聲，降低雷達接收機靈敏度。uP8ednc


圖1：ADI 24GHz全信號鏈產品uP8ednc

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ADF5904搭配配套IC(發射機ADF5901晶片和ADF4159 PLL)使用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。該集成式晶片組的高性能特性為雷達系統設計人員提供至少兩倍的靈敏度提升，以及多達1.5倍的檢測範圍提升，而總功耗則大幅降低，從而使小尺寸傳感器的性能更為穩定可靠，易於設計。uP8ednc

作者：John Morrissey，Patrick Walsh，ADI公司uP8ednc

《電子技術設計》2017年5月刊版權所有，謝絕轉載。uP8ednc

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