24GHz射频前端频率合成器设计

饶睿楠 王 栋 余铁军 唐 尧

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

24GHz频段雷达大量用于液位检测、照明控制、汽车防撞、安防等领域。近年来由于微波集成电路的高速发展，单芯片电路集成度越来越高，出现了一大批高集成、多功能的射频微波集成电路，以前需要几片或十几片芯片的电路被集成在一片集成电路之中。英飞凌公司推出的基于锗硅工艺的高集成单片雷达解决方案就是其中对具代表性的产品之一。FMCW信号调制方式被广泛的应用于此类产品。本文采用英飞凌公司BGT24AT2单片信号源芯片与ADI公司ADF4159锁相环芯片构成24GHz射频前端频率合成器部分，产生了24GHz～24.2GHz FMCW发射信号。

1 BGT24AT2锗硅24GHz MMIC信号源芯片基本指标

BGT24AT2是一款低噪声24GHz ISM波段多功能信号源。内部集成24GHzVCO和分频器。3路独立的RF输出可分别输出+10dBm的信号，通过SPI可对输出信号功率进行控制。发射信号的快速脉冲和相位反向可通过单独的输入引脚或通用的SPI控制接口进行控制。片内集成输出功率及温度传感器，可对芯片工作情况进行监控。芯片工作的环境温度为-40℃～125℃，满足汽车级环境应用要求。封装为32脚VQFN封装，单3.3V电源供电，节省了大量板上空间。其原理框图如图1所示。

图1 BGT24AT2系统框图

2 ADF4159锁相环芯片基本指标

ADF4159是一款具有调制、以及快速和慢速波形产生能力的13GHz小数N分频频率合成器，该器件使用25位固定模数，提供次赫兹频率分辨率。

ADF4159由低噪声数字鉴频鉴相器(PFD)、精密电荷泵和可编程参考分频器组成。该器件内置一个∑-Δ型小数插值器，能够实现可编程模数小数N分频。INT和FRAC寄存器可构成一个N分频器(N=INT+(FRAC/225))。

ADF4159可用于实现频移键控(FSK)和相移键控(PSK)调制。还有一些可用的频率扫描模式，可在频域内产生各种波形，例如锯齿波和三角波。扫描可以设置为自动进行，也可以设置为通过外部脉冲手动触发每个步骤。ADF4159具有周跳减少电路，可进一步缩短锁定时间，而无需修改环路滤波器。所有片内寄存器均通过简单的三线式接口进行控制。ADF4159采用2.7V至3.45V模拟电源和1.62V至1.98V数字电源供电，不用时可以关断。芯片工作的环境温度为-40℃～125℃，满足汽车级环境应用要求。ADF4159原理框图如图2所示。

图2 ADF4159系统框图

3 24GHz射频前端频率合成器方案

根据雷达系统实现的任务目标，信号形式选择为24GHz～24.2GHz的外脉冲触发的带延迟的锯齿斜坡信号。具体系统框图如图3所示。

图3 24GHz射频前端频率合成器系统框图

系统采用50MHz温补晶振提供ADF4159所需的参考信号，BGT24AT2中VCO分频器设置为1/16，将分频后的VCO频率反馈给ADF4159，ADF4159通过环路滤波器与BGT24AT2的VCO调谐端相连接形成整个PLL倍频系统。FPGA设置ADF4159工作在single sawtooth ramp工作模式下，由FPGA提供外脉冲触发锯齿波的产生。锁相环环路参数设置及具体框图如图4所示。

图4 锁相环参数设置

锁相环环路带宽设置为288kHz，相位余量45°，鉴相频率50MHz，环路仿真如图5所示，时域锯齿波波形仿真如图6所示。

图6 PLL时域锯齿波产生仿真图

4 24GHz射频前端频率合成器工程实现

电路基板选择4层微波混压板，顶层板芯选择罗杰斯RO4350B，其它板材为FR-4。工程实现如图7所示。

图7 实际成品外观

有关参数如下：

1)系统杂散为：<-60dBc；

2)系统相噪为：

<-81dBc/Hz@10kHz；<-100dBc/Hz@1MHz。

5 结束语

本文使用英飞凌BGT24AT2信号源芯片及ADF4159锁相环芯片实现了24GHz射频前端频率合成器的设计，实现了24GHz～24.2GHz LFMCW信号的产生。这种设计方案可方便的移植到如BGT24MTR11(单发射单接收通道)、BGT24MTR12(单发射双接收通道)等相近结构的同系列产品中，也可方便的移植到厦门意行SG24T1或SG24TR1等和英飞凌系列芯片同属性产品中。