24GHz射頻前端頻率合成器設(shè)計(jì)

饒睿楠 王 棟 余鐵軍 唐 堯

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

24GHz頻段雷達(dá)大量用于液位檢測(cè)、照明控制、汽車防撞、安防等領(lǐng)域。近年來(lái)由于微波集成電路的高速發(fā)展，單芯片電路集成度越來(lái)越高，出現(xiàn)了一大批高集成、多功能的射頻微波集成電路，以前需要幾片或十幾片芯片的電路被集成在一片集成電路之中。英飛凌公司推出的基于鍺硅工藝的高集成單片雷達(dá)解決方案就是其中對(duì)具代表性的產(chǎn)品之一。FMCW信號(hào)調(diào)制方式被廣泛的應(yīng)用于此類產(chǎn)品。本文采用英飛凌公司BGT24AT2單片信號(hào)源芯片與ADI公司ADF4159鎖相環(huán)芯片構(gòu)成24GHz射頻前端頻率合成器部分，產(chǎn)生了24GHz～24.2GHz FMCW發(fā)射信號(hào)。

1 BGT24AT2鍺硅24GHz MMIC信號(hào)源芯片基本指標(biāo)

BGT24AT2是一款低噪聲24GHz ISM波段多功能信號(hào)源。內(nèi)部集成24GHzVCO和分頻器。3路獨(dú)立的RF輸出可分別輸出+10dBm的信號(hào)，通過(guò)SPI可對(duì)輸出信號(hào)功率進(jìn)行控制。發(fā)射信號(hào)的快速脈沖和相位反向可通過(guò)單獨(dú)的輸入引腳或通用的SPI控制接口進(jìn)行控制。片內(nèi)集成輸出功率及溫度傳感器，可對(duì)芯片工作情況進(jìn)行監(jiān)控。芯片工作的環(huán)境溫度為-40℃～125℃，滿足汽車級(jí)環(huán)境應(yīng)用要求。封裝為32腳VQFN封裝，單3.3V電源供電，節(jié)省了大量板上空間。其原理框圖如圖1所示。

圖1 BGT24AT2系統(tǒng)框圖

2 ADF4159鎖相環(huán)芯片基本指標(biāo)

ADF4159是一款具有調(diào)制、以及快速和慢速波形產(chǎn)生能力的13GHz小數(shù)N分頻頻率合成器，該器件使用25位固定模數(shù)，提供次赫茲頻率分辨率。

ADF4159由低噪聲數(shù)字鑒頻鑒相器(PFD)、精密電荷泵和可編程參考分頻器組成。該器件內(nèi)置一個(gè)∑-Δ型小數(shù)插值器，能夠?qū)崿F(xiàn)可編程模數(shù)小數(shù)N分頻。INT和FRAC寄存器可構(gòu)成一個(gè)N分頻器(N=INT+(FRAC/225))。

ADF4159可用于實(shí)現(xiàn)頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)調(diào)制。還有一些可用的頻率掃描模式，可在頻域內(nèi)產(chǎn)生各種波形，例如鋸齒波和三角波。掃描可以設(shè)置為自動(dòng)進(jìn)行，也可以設(shè)置為通過(guò)外部脈沖手動(dòng)觸發(fā)每個(gè)步驟。ADF4159具有周跳減少電路，可進(jìn)一步縮短鎖定時(shí)間，而無(wú)需修改環(huán)路濾波器。所有片內(nèi)寄存器均通過(guò)簡(jiǎn)單的三線式接口進(jìn)行控制。ADF4159采用2.7V至3.45V模擬電源和1.62V至1.98V數(shù)字電源供電，不用時(shí)可以關(guān)斷。芯片工作的環(huán)境溫度為-40℃～125℃，滿足汽車級(jí)環(huán)境應(yīng)用要求。ADF4159原理框圖如圖2所示。

圖2 ADF4159系統(tǒng)框圖

3 24GHz射頻前端頻率合成器方案

根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的任務(wù)目標(biāo)，信號(hào)形式選擇為24GHz～24.2GHz的外脈沖觸發(fā)的帶延遲的鋸齒斜坡信號(hào)。具體系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 24GHz射頻前端頻率合成器系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用50MHz溫補(bǔ)晶振提供ADF4159所需的參考信號(hào)，BGT24AT2中VCO分頻器設(shè)置為1/16，將分頻后的VCO頻率反饋給ADF4159，ADF4159通過(guò)環(huán)路濾波器與BGT24AT2的VCO調(diào)諧端相連接形成整個(gè)PLL倍頻系統(tǒng)。FPGA設(shè)置ADF4159工作在single sawtooth ramp工作模式下，由FPGA提供外脈沖觸發(fā)鋸齒波的產(chǎn)生。鎖相環(huán)環(huán)路參數(shù)設(shè)置及具體框圖如圖4所示。

圖4 鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)置

鎖相環(huán)環(huán)路帶寬設(shè)置為288kHz，相位余量45°，鑒相頻率50MHz，環(huán)路仿真如圖5所示，時(shí)域鋸齒波波形仿真如圖6所示。

圖6 PLL時(shí)域鋸齒波產(chǎn)生仿真圖

4 24GHz射頻前端頻率合成器工程實(shí)現(xiàn)

電路基板選擇4層微波混壓板，頂層板芯選擇羅杰斯RO4350B，其它板材為FR-4。工程實(shí)現(xiàn)如圖7所示。

圖7 實(shí)際成品外觀

有關(guān)參數(shù)如下：

1)系統(tǒng)雜散為：<-60dBc；

2)系統(tǒng)相噪為：

<-81dBc/Hz@10kHz；<-100dBc/Hz@1MHz。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文使用英飛凌BGT24AT2信號(hào)源芯片及ADF4159鎖相環(huán)芯片實(shí)現(xiàn)了24GHz射頻前端頻率合成器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了24GHz～24.2GHz LFMCW信號(hào)的產(chǎn)生。這種設(shè)計(jì)方案可方便的移植到如BGT24MTR11(單發(fā)射單接收通道)、BGT24MTR12(單發(fā)射雙接收通道)等相近結(jié)構(gòu)的同系列產(chǎn)品中，也可方便的移植到廈門(mén)意行SG24T1或SG24TR1等和英飛凌系列芯片同屬性產(chǎn)品中。