英飞凌24G雷达开发板DISTANCE2GO之射频设计
2018-10-25 10:53:19
来源：英飞凌集成电路（北京）射频元件与传感器部任翔
点击：1199
前言：
英飞凌是全球民用雷达芯片领域的领导者，英飞凌基于硅锗制造工艺开发出高度集成的雷达芯片，帮助厂商设计出更加简单，紧凑，可靠的雷达传感器。在中国市场，英飞凌已与众多方案设计合作伙伴展开合作，为客户提供完整的24GHz 毫米波雷达解决方案。
英飞凌近期推出的DISTANCE2GO开发板不但提供了一个完整的雷达硬件开发平台，还提供了示例软件和图形人机交互界面。DISTANCE2GO开发板硬件包括天线、射频、频率控制、模拟放大和数字五部分。
图1： DISTANCE2GO开发板框图 本篇主要介绍天线，射频和频率控制部分。英飞凌DISTANCE2GO开发板射频前端主要由24GHz雷达芯片BGT24MTR11以及微带贴片阵列天线组成，射频部分通过SPI接口同主处理器XMC4200通信，频率控制电路包括一个低噪声小数分频锁相环和环路滤波电路。
BGT24MTR11 简介
BGT24MTR11是24GHz 射频前端芯片，有一路发射、一路接收通道，内置24GHz变频器，高度集成了VCO，频率可控的预分频器。发射机典型最大输出功率11dBm，发射功率可调整范围9dB；接收机单边带噪声系数12dB，射频接收增益26dB，1dB压缩点-12dBm。VCO可由粗调和精调两部分进行调节控制，VCO包括两个预分频器，第一预分频器输出1.5GHz信号可以馈入射频锁相环，第二个预分频器输出23KHz的方波信号，可以提供给微处理器作为软件锁相环使用。内置的正交下变频器直接将射频信号转换为零中频信号。发射输出部分和本振输出部分有功率检测传感器，以及温度传感器。芯片在连续操作模式下功耗约500mW，3.3V电压供电。
图2： BGT24MTR11框图
2 DISTANCE2GO开发板射频电路：
2.1 DISTANCE2GO开发板发射部分
BGT24MTR11的发射差分输出端通过匹配结构后由威尔金森合路器将信号合并，成为单端信号。匹配结构是为了补偿由于VQFN封装带来的绑定引线电感和寄生效应。信号经过合路器后，经过微带滤波器滤除二次谐波，即48GHz的谐波。经过精心设计，该微带滤波器能够滤除>20dB的二次谐波和约0.5dB的基频信号。天线端有隔直电路和直流短路电路以提高ESD保护能力。
图3： DISTANCE2GO开发板射频发射电路
2.2 DISTANCE2GO开发板接收部分
BGT24MTR11的接收机是单端输入，同发射部分类似，也是由匹配结构，隔直电路，直流短路电路构成。从天线到BGT24MTR11接收输入管脚的损耗大约1dB左右。
图4： DISTANCE2GO开发板射频接收电路
2.3频率控制部分
BGT24MTR11的分频器输出连接到低噪声小数锁相环LMX2491的射频输入端，锁相环电荷泵输出模拟电压通过环路滤波，接入到雷达芯片VCO 控制管脚VCOARSE 和VFINE。
锁相环采用40MHz晶振信号作为本振参考信号。相位噪声在偏离10kHz至1MHz处好于-88dBc/Hz. 环路滤波器带宽大于250kHz。通过相关设定，芯片能够工作在DOPPLER和FMCW模式。为了降低功耗，锁相环可以通过CE管脚或者SPI配置使能。
图5： DISTANCE2GO开发板频率控制部分电路
2.4天线部分
天线为2x4微带贴片收发天线阵列，增益为12dBi，辐射角20°x42°。下图为天线阵列和2D,3D 辐射图。
图6： DISTANCE2GO开发板天线辐射图
3 DISTANCE2GO开发板系统性能：
结语：
英飞凌DISTANCE2GO开发板通过良好的射频设计，提供了优秀的硬件平台。软件方面也给客户提供了多种24GHz ISM 频段的应用，包括基于FMCW的距离检测，基于多普勒的移动和速度检测。使用者可以通过PC软件端软件控制该开发板，进行参数设置、工作控制和数据获取，快速进行雷达信号处理和改进目标物体的检测算法。图形人机交互界面能够显示实时可视化正交中频波形、FFT频谱、目标物体距离和运动信息。英飞凌DISTANCE2GO开发板可以极大缩短客户开发周期，降低开发成本。
[参考文献]
1. 英飞凌BGT24MTR11 数据手册
2. 英飞凌BGT24MTR11_XMC4200_Distance2Go_DemoBoard 应用指南
英飞凌是全球民用雷达芯片领域的领导者，英飞凌基于硅锗制造工艺开发出高度集成的雷达芯片，帮助厂商设计出更加简单，紧凑，可靠的雷达传感器。在中国市场，英飞凌已与众多方案设计合作伙伴展开合作，为客户提供完整的24GHz 毫米波雷达解决方案。
英飞凌近期推出的DISTANCE2GO开发板不但提供了一个完整的雷达硬件开发平台，还提供了示例软件和图形人机交互界面。DISTANCE2GO开发板硬件包括天线、射频、频率控制、模拟放大和数字五部分。
图1： DISTANCE2GO开发板框图
BGT24MTR11 简介
BGT24MTR11是24GHz 射频前端芯片，有一路发射、一路接收通道，内置24GHz变频器，高度集成了VCO，频率可控的预分频器。发射机典型最大输出功率11dBm，发射功率可调整范围9dB；接收机单边带噪声系数12dB，射频接收增益26dB，1dB压缩点-12dBm。VCO可由粗调和精调两部分进行调节控制，VCO包括两个预分频器，第一预分频器输出1.5GHz信号可以馈入射频锁相环，第二个预分频器输出23KHz的方波信号，可以提供给微处理器作为软件锁相环使用。内置的正交下变频器直接将射频信号转换为零中频信号。发射输出部分和本振输出部分有功率检测传感器，以及温度传感器。芯片在连续操作模式下功耗约500mW，3.3V电压供电。
图2： BGT24MTR11框图
2 DISTANCE2GO开发板射频电路：
2.1 DISTANCE2GO开发板发射部分
BGT24MTR11的发射差分输出端通过匹配结构后由威尔金森合路器将信号合并，成为单端信号。匹配结构是为了补偿由于VQFN封装带来的绑定引线电感和寄生效应。信号经过合路器后，经过微带滤波器滤除二次谐波，即48GHz的谐波。经过精心设计，该微带滤波器能够滤除>20dB的二次谐波和约0.5dB的基频信号。天线端有隔直电路和直流短路电路以提高ESD保护能力。
图3： DISTANCE2GO开发板射频发射电路
2.2 DISTANCE2GO开发板接收部分
BGT24MTR11的接收机是单端输入，同发射部分类似，也是由匹配结构，隔直电路，直流短路电路构成。从天线到BGT24MTR11接收输入管脚的损耗大约1dB左右。
图4： DISTANCE2GO开发板射频接收电路
2.3频率控制部分
BGT24MTR11的分频器输出连接到低噪声小数锁相环LMX2491的射频输入端，锁相环电荷泵输出模拟电压通过环路滤波，接入到雷达芯片VCO 控制管脚VCOARSE 和VFINE。
锁相环采用40MHz晶振信号作为本振参考信号。相位噪声在偏离10kHz至1MHz处好于-88dBc/Hz. 环路滤波器带宽大于250kHz。通过相关设定，芯片能够工作在DOPPLER和FMCW模式。为了降低功耗，锁相环可以通过CE管脚或者SPI配置使能。
图5： DISTANCE2GO开发板频率控制部分电路
2.4天线部分
天线为2x4微带贴片收发天线阵列，增益为12dBi，辐射角20°x42°。下图为天线阵列和2D,3D 辐射图。
图6： DISTANCE2GO开发板天线辐射图
3 DISTANCE2GO开发板系统性能：
结语：
英飞凌DISTANCE2GO开发板通过良好的射频设计，提供了优秀的硬件平台。软件方面也给客户提供了多种24GHz ISM 频段的应用，包括基于FMCW的距离检测，基于多普勒的移动和速度检测。使用者可以通过PC软件端软件控制该开发板，进行参数设置、工作控制和数据获取，快速进行雷达信号处理和改进目标物体的检测算法。图形人机交互界面能够显示实时可视化正交中频波形、FFT频谱、目标物体距离和运动信息。英飞凌DISTANCE2GO开发板可以极大缩短客户开发周期，降低开发成本。
[参考文献]
1. 英飞凌BGT24MTR11 数据手册
2. 英飞凌BGT24MTR11_XMC4200_Distance2Go_DemoBoard 应用指南
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