24GHz射頻前端頻率合成器設計

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頻段雷達大量用于液位檢測、照明控制、汽車防撞、安防等領域。近年來由于微波集成電路的高速發展，單芯片電路集成度越來越高，出現了一大批高集成、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解決方案就是其中對具代表性的產品之一。FMCW信號調制方式被廣泛的應用于此類產品。本文采用英飛凌公司BGT24AT2單片信號源芯片與ADI公司ADF4159鎖相環芯片構成24GHz射頻前端頻率合成器部分，產生了24GHz～24.2GHz FMCW發射信號。

1 BGT24AT2鍺硅24GHz MMIC信號源芯片基本指標

BGT24AT2是一款低噪聲24GHz ISM波段多功能信號源。內部集成24GHzVCO和分頻器。3路獨立的RF輸出可分別輸出+10dBm的信號，通過SPI可對輸出信號功率進行控制。發射信號的快速脈沖和相位反向可通過單獨的輸入引腳或通用的SPI控制接口進行控制。片內集成輸出功率及溫度傳感器，可對芯片工作情況進行監控。芯片工作的環境溫度為-40℃～125℃，滿足汽車級環境應用要求。封裝為32腳VQFN封裝，單3.3V電源供電，節省了大量板上空間。其原理框圖如圖1所示。

圖1 BGT24AT2系統框圖

2 ADF4159鎖相環芯片基本指標

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

ADF4159由低噪聲數字鑒頻鑒相器(PFD)、精密電荷泵和可編程參考分頻器組成。該器件內置一個∑-Δ型小數插值器，能夠實現可編程模數小數N分頻。INT和FRAC寄存器可構成一個N分頻器(N=INT+(FRAC/225))。

ADF4159可用于實現頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)調制。還有一些可用的頻率掃描模式，可在頻域內產生各種波形，例如鋸齒波和三角波。掃描可以設置為自動進行，也可以設置為通過外部脈沖手動觸發每個步驟。ADF4159具有周跳減少電路，可進一步縮短鎖定時間，而無需修改環路濾波器。所有片內寄存器均通過簡單的三線式接口進行控制。ADF4159采用2.7V至3.45V模擬電源和1.62V至1.98V數字電源供電，不用時可以關斷。芯片工作的環境溫度為-40℃～125℃，滿足汽車級環境應用要求。ADF4159原理框圖如圖2所示。

圖2 ADF4159系統框圖

3 24GHz射頻前端頻率合成器方案

根據雷達系統實現的任務目標，信號形式選擇為24GHz～24.2GHz的外脈沖觸發的帶延遲的鋸齒斜坡信號。具體系統框圖如圖3所示。

圖3 24GHz射頻前端頻率合成器系統框圖

系統采用50MHz溫補晶振提供ADF4159所需的參考信號，BGT24AT2中VCO分頻器設置為1/16，將分頻后的VCO頻率反饋給ADF4159，ADF4159通過環路濾波器與BGT24AT2的VCO調諧端相連接形成整個PLL倍頻系統。FPGA設置ADF4159工作在single sawtooth ramp工作模式下，由FPGA提供外脈沖觸發鋸齒波的產生。鎖相環環路參數設置及具體框圖如圖4所示。

圖4 鎖相環參數設置

鎖相環環路帶寬設置為288kHz，相位余量45°，鑒相頻率50MHz，環路仿真如圖5所示，時域鋸齒波波形仿真如圖6所示。

圖6 PLL時域鋸齒波產生仿真圖

4 24GHz射頻前端頻率合成器工程實現

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。工程實現如圖7所示。

圖7 實際成品外觀

有關參數如下：

1)系統雜散為：<-60dBc；

2)系統相噪為：

<-81dBc/Hz@10kHz；<-100dBc/Hz@1MHz。

5 結束語

本文使用英飛凌BGT24AT2信號源芯片及ADF4159鎖相環芯片實現了24GHz射頻前端頻率合成器的設計，實現了24GHz～24.2GHz LFMCW信號的產生。這種設計方案可方便的移植到如BGT24MTR11(單發射單接收通道)、BGT24MTR12(單發射雙接收通道)等相近結構的同系列產品中，也可方便的移植到廈門意行SG24T1或SG24TR1等和英飛凌系列芯片同屬性產品中。