适用于汽车和工业传感器应用的高性能集成雷达收发器芯片组

作者：John Morrissey and Patrick Walsh

ADF5904是一款高度集成的4通道24 GHz接收器下变频器MMIC，具有低噪声性能、高线性度和低功耗的业界最佳组合。ADF5904集成式多通道接收器下变频器可实现10 dB噪声系数，比竞争器件高3 dB。在功耗降低 50% 的同时，它采用小型、经济高效的 5 mm × 5 mm LFCSP 塑料封装。该器件的四个片上接收通道均使用简单的单端连接连接到四个单独的天线，从而简化了RF传输线设计和PCB布局，并减小了电路板尺寸。接收器下变频器同时直接放大和转换四个24 GHz接收信号，以产生高质量、高幅度基带或低频信号，可轻松连接到ADI 4通道模数转换器或模拟前端（AFE）。ADF5904还提供集成温度传感器，无需分立式检测元件，否则在系统组装和测试期间可能需要额外的时间和资源进行校准。

ADF5904专为多通道接收器、使用数字波束成形的高频应用而设计，例如汽车ADAS雷达、微波雷达传感器以及工业雷达系统环境，在这些环境中，能效正成为更重要的系统级设计考虑因素。ADF5904 24 GHz接收器提供一流的接收器灵敏度，同时使用比竞争RF IC技术更低的总功耗，从而支持这些和其他传感器应用。

主要特点

四个接收通道，接收器通道增益：22 dB

噪声系数： 10 dB， P1dB： –10 dBm

功耗：0.5 mW（所有四个通道均已通电）

LO 输入范围：–8 dBm 至 +5 dBm

接收器至中频隔离：30 dB

射频信号带宽：250 MHz

带模拟输出的片上温度传感器：±5°

图1.ADF5904，四通道、24 GHz接收器下变频器MMIC。

技术细节

ADF5904是一款4通道、24 GHz接收器MMIC，其中四个RF通道的频率下变频为差分基带信号，然后可以直接驱动到专用多通道ADC中，对输入的模拟接收器信号进行数字化处理。这些数字信号可以使用快速傅里叶变换（FFT）和在系统微处理器上运行的其他复杂雷达检测软件算法进行询问，以检测出现在雷达传感器系统前面的目标，并能够计算目标速度、距离和位置。

ADF5904使用发送器配套IC上产生的本振输入信号或LO源（称为ADF5901）对接收器信号进行下变频。ADF5904上的所有RF输入均为简单的单端输入，这些输入在内部连接到集成巴伦，用于将接收器信号转换为差分信号，从而实现更高性能的放大和下变频处理。单端RF接口连接大大简化了PCB设计任务，设计IC与印刷电路板（PCB）天线的RF端口连接，其中只需要50 Ω PCB走线，无需外部匹配的无源元件，从而节省了大量电路板空间。ADF5904的众多技术亮点之一是，即使在低成本塑料封装中高度集成，它也能实现30 dB的世界级接收器间通道隔离性能。需要围绕接收器输入引脚进行仔细的RF布局，以保持出色的30 dB接收器间隔离性能。

四个接收器信号路径中的每一个都包含一个低噪声放大器（LNA），后跟一个低噪声混频器和一个差分输出放大器。四个通道共享ADF5901芯片产生的LO信号。整个接收器链具有22 dB的固定增益，P1dB为–10 dBm，低噪声设计可为接收器信号链产生10 dB的噪声系数，同时即使所有四个接收器通道一起上电并由3.3 V单电源供电，也能实现550 mW的极低功耗。通过系统的上电占空比，可以进一步降低总功耗，并且可以单独关闭未使用的接收器通道，从而节省更多的功耗和热管理。ADF5904内置一个片内温度传感器，作为模拟电压连接到A测试引脚，用于监控系统温度。ADF5904通过DOUT引脚对4线SPI进行简单控制，允许回读寄存器，以检查芯片控制寄存器的正确写入操作。

ADF5901，2通道、24 GHz发射MMIC

ADF5901是一款24 GHz发射器MMIC，片内24 GHz VCO，跨越24 GHz至24.25 GHz的250 MHz ISM频段，连接到两个可提供8 dBm输出功率的发射器PA、用于驱动接收器MMIC ADF5904的LO输出和差分辅助输出，允许使用ADF4159斜坡生成PLL进行闭环控制。当组合在一起时，该芯片组为24 GHz ISM雷达系统完善了RF信号链。

驱动器件发射器输出的片内VCO经过频率和功率校准，以确保在ISM频段内工作，并保持最佳VCO功率水平，以确保–108 dBc/Hz @ 1 MHz偏移的出色相位噪声性能。该器件还包含发射器输出功率校准电路，用于校准发射器输出功率，以确保功率保持在允许的功率电平限制范围内。校准电路由提供给REF器件的外部参考时钟运行在针;相同的参考时钟可以与ADF4159 PLL上的基准输入共享。

为了适应功率校准，发射器输出端有片内功率检测器，用于测量发射器输出引脚的功率。功率检测器用作校准引擎的一部分来控制输出功率。输出功率校准在整个温度和电源范围内是准确的。

VCO频率校准使用片内R（基准）和N（RF）分频器计数器执行，用于将分频RF信号与参考时钟的已知频率信号进行比较。

该 N 计数器块也可用于为 MU 供电外引脚，允许芯片在开环频率鉴别器系统中运行。这需要额外的外部监视电路来测量分压的VCO频率，并需要一个DAC转换器来调整V调整部件的引脚，以确保其在ISM频带内工作。此外，使用这种开环方法时，必须考虑温度变化，以确保频率不会漂移到ISM频段之外。所有这些都需要DSP的干预才能进行校准。使用ADF4159的闭环系统消除了额外的DSP工作量，因为闭环PLL可确保频率正确，并且没有温度或电源电压变化影响，从而使该器件更加稳健且易于使用。

ADF5901上的两个发射器输出可单独控制，允许雷达传感器的虚拟天线和MIMO操作。

ADF5901上的发射器和LO输出为单端输出，简化了器件的RF接口，并减少了PCB设计任务，只需50 Ω PCB走线。

ADF5901上的LO输出提供固定输出功率，用于驱动ADF5904接收器芯片上的LO输入。功率电平足以驱动多个ADF5904接收器器件，无需外部元件，即可实现具有更高接收器通道数的可扩展系统。

差分辅助输出允许从基波VCO频率分频2分频或4分频输出。因此，提供12 GHz或6 GHz输出，允许在反馈路径中使用ADF4158或ADF4159斜坡生成PLL，以锁定ADF5901 VCO，并生成所需的高度线性FMCW调制斜坡。

此外，ADF5901内置一个片内温度传感器，允许在ATEST引脚上提供模拟输出。或者，传感器信号可以使用片内8位ADC进行数字化，产生的数字字回读在D上。外数字引脚。该 D外引脚还可用于回读寄存器，以检查对芯片控制寄存器的正确写入操作。当器件断电时，3.3 V单电源以100%占空比消耗700 mW，系统中具有占空比，从而降低整体功耗。

ADF4159—13 GHz小数N分频FMCW斜坡发生PLL

ADF4159 PLL提供同类最佳的相位噪声性能（归一化相位噪声FOM为–224 dBc/Hz），并具有灵活的斜坡调制方案，适用于FMCW工作。该器件的最大PFD频率为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输入频率为13 GHz，可轻松连接到发射器IC ADF5901辅助输出，以完成闭环FMCW生成。ADF4159灵活的斜坡生成引擎支持各种三角形和锯齿形斜坡曲线，具有灵活的时间和频率偏差。它还支持快速斜坡配置文件，可在斜坡回溯期间最大限度地减少过/欠冲，从而最大限度地提高RF带宽扫描频率，从而在雷达系统中实现精细的距离分辨率。ADF5901和ADF5904之间无需外部无源元件，无需昂贵的高频电容。ADF5901和ADF4159之间的辅助信号无需耦合电容。这三款IC均提供出色的ESD性能，并完全符合AEC-Q100标准，以确保更稳健的传感器设计。

雷达系统优势

如图3所示，该芯片组提供的组合高性能规格在用于构建雷达传感器执行器时非常重要，因为提高接收器灵敏度和检测范围的每一dB都很重要。许多基于IC的雷达系统受发射器（相位噪声）和接收器噪声的限制，导致接收器的整体信噪比（SNR）有限。这通常会导致雷达系统在存在或靠近较大物体时检测较小物体或目标的限制。在实际雷达应用中，繁忙或杂乱的目标场景（包括地面杂波）都存在，这些场景都会累积增加系统相位噪声，并使雷达接收器脱敏。

图2.智能交通灯雷达传感器。3D 对象跟踪。

图3.ADI公司的24 GHz全信号链产品。

较高的系统噪声会掩盖或隐藏小目标并阻止检测，这可能会导致传感器安全问题。例如，如果用于汽车检测应用，则在存在大目标（例如儿童或小杆）的情况下，在存在非常大的目标（如反射墙或遮挡儿童的停放车辆）的情况下，需要更好的小目标检测。

ADF5904出色的低噪声系数（比竞争产品高3 dB）与配套IC、发射器ADF5901芯片和ADF4159 PLL相结合，兼具高性能相位噪声、输出功率和高速斜坡能力，为传感器提供了更低的本底噪声性能。可以实现更高的接收机系统信噪比，并提供更可靠和可靠的检测，并更快地进行结果参数估计。集成芯片组的高性能使雷达系统设计人员的灵敏度提高了至少 2×，检测范围提高了 1.5×，总体功耗大大降低，从而通过易于设计的小型传感器实现更强大、更一致的性能。

审核编辑：郭婷