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現(xiàn)10 dB噪聲系數(shù)，比競爭器件高3 dB。在功耗降低 50% 的同時，它采用小型、經(jīng)濟高效的 5 mm × 5 mm LFCSP 塑料封裝。該器件的四個片上接收通道均使用簡單的單端連接連接到四個單獨的天線，從而簡化了RF傳輸線設(shè)計和PCB布局，并減小了電路板尺寸。接收器下變頻器同時直接放大和轉(zhuǎn)換四個24 GHz接收信號，以產(chǎn)生高質(zhì)量、高幅度基帶或低頻信號，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，無需分立式檢測元件，否則在系統(tǒng)組裝和測試期間可能需要額外的時間和資源進(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，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)級設(shè)計考慮因素。ADF5904 24 GHz接收器提供一流的接收器靈敏度，同時使用比競爭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

四個接收通道，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RF通道的頻率下變頻為差分基帶信號，然后可以直接驅(qū)動到專用多通道ADC中，對輸入的模擬接收器信號進(jìn)行數(shù)字化處理。這些數(shù)字信號可以使用快速傅里葉變換（FFT）和在系統(tǒng)微處理器上運行的其他復(fù)雜雷達(dá)檢測軟件算法進(jìn)行詢問，以檢測出現(xiàn)在雷達(dá)傳感器系統(tǒng)前面的目標(biāo)，并能夠計算目標(biāo)速度、距離和位置。

ADF5904使用發(fā)送器配套IC上產(chǎn)生的本振輸入信號或LO源（稱為ADF5901）對接收器信號進(jìn)行下變頻。ADF5904上的所有RF輸入均為簡單的單端輸入，這些輸入在內(nèi)部連接到集成巴倫，用于將接收器信號轉(zhuǎn)換為差分信號，從而實現(xiàn)更高性能的放大和下變頻處理。單端RF接口連接大大簡化了PCB設(shè)計任務(wù)，設(shè)計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，無需外部匹配的無源元件，從而節(jié)省了大量電路板空間。ADF5904的眾多技術(shù)亮點之一是，即使在低成本塑料封裝中高度集成，它也能實現(xiàn)30 dB的世界級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。

四個接收器信號路徑中的每一個都包含一個低噪聲放大器（LNA），后跟一個低噪聲混頻器和一個差分輸出放大器。四個通道共享ADF5901芯片產(chǎn)生的LO信號。整個接收器鏈具有22 dB的固定增益，P1dB為–10 dBm，低噪聲設(shè)計可為接收器信號鏈產(chǎn)生10 dB的噪聲系數(shù)，同時即使所有四個接收器通道一起上電并由3.3 V單電源供電，也能實現(xiàn)550 mW的極低功耗。通過系統(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)置一個片內(nèi)溫度傳感器，作為模擬電壓連接到A測試引腳，用于監(jiān)控系統(tǒng)溫度。ADF5904通過DOUT引腳對4線SPI進(jìn)行簡單控制，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，連接到兩個可提供8 dBm輸出功率的發(fā)射器PA、用于驅(qū)動接收器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，該芯片組為24 GHz ISM雷達(dá)系統(tǒng)完善了RF信號鏈。

驅(qū)動器件發(fā)射器輸出的片內(nèi)VCO經(jīng)過頻率和功率校準(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器件的外部參考時鐘運行在針;相同的參考時鐘可以與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)功率檢測器，用于測量發(fā)射器輸出引腳的功率。功率檢測器用作校準(zhǔn)引擎的一部分來控制輸出功率。輸出功率校準(zhǔn)在整個溫度和電源范圍內(nèi)是準(zhǔn)確的。

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

該 N 計數(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)中運行。這需要額外的外部監(jiān)視電路來測量分壓的VCO頻率，并需要一個DAC轉(zhuǎn)換器來調(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，必須考慮溫度變化，以確保頻率不會漂移到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，因為閉環(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上的兩個發(fā)射器輸出可單獨控制，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，簡化了器件的RF接口，并減少了PCB設(shè)計任務(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ADF5904接收器芯片上的LO輸入。功率電平足以驅(qū)動多個ADF5904接收器器件，無需外部元件，即可實現(xiàn)具有更高接收器通道數(shù)的可擴展系統(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，以檢查對芯片控制寄存器的正確寫入操作。當(dāng)器件斷電時，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/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)中實現(xiàn)精細(xì)的距離分辨率。ADF5901和ADF5904之間無需外部無源元件，無需昂貴的高頻電容。ADF5901和ADF4159之間的輔助信號無需耦合電容。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。

雷達(dá)系統(tǒng)優(yōu)勢

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)行器時非常重要，因為提高接收器靈敏度和檢測范圍的每一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。這通常會導(dǎo)致雷達(dá)系統(tǒng)在存在或靠近較大物體時檢測較小物體或目標(biāo)的限制。在實際雷達(dá)應(yīng)用中，繁忙或雜亂的目標(biāo)場景（包括地面雜波）都存在，這些場景都會累積增加系統(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 對象跟蹤。

圖3.ADI公司的24 GHz全信號鏈產(chǎn)品。

較高的系統(tǒng)噪聲會掩蓋或隱藏小目標(biāo)并阻止檢測，這可能會導(dǎo)致傳感器安全問題。例如，如果用于汽車檢測應(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。

ADF5904出色的低噪聲系數(shù)（比競爭產(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?？梢詫崿F(xiàn)更高的接收機系統(tǒng)信噪比，并提供更可靠和可靠的檢測，并更快地進(jìn)行結(jié)果參數(shù)估計。集成芯片組的高性能使雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計人員的靈敏度提高了至少 2×，檢測范圍提高了 1.5×，總體功耗大大降低，從而通過易于設(shè)計的小型傳感器實現(xiàn)更強大、更一致的性能。

審核編輯：郭婷