CN109901121B - 单片集成的低功耗微波雷达感测芯片及雷达模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单片集成的低功耗微波雷达感测芯片及雷达模组，解决微波电路尚不能将射频前端、信号处理电路、模拟电路、MCU数字控制电路集成到同一基底材料的芯片电路中，射频微波芯片功耗高，无法满足物联网应用低成本低功耗要求问题。本发明微波雷达感测芯片包括射频电路模块、模拟电路模块和数字电路模块，采用RF‑CMOS互补金属氧化物工艺，将射频电路模块、模拟电路模块和数字电路模块集成到一颗芯片中形成片上系统；微波雷达感测芯片通过外接的无源晶体振荡器输入信号XTAL_P/XTAL_N为系统提供基础时钟，通过TX发射天线向外发射雷达信号，通过RX接收天线接收目标反射回来的信号；采用电压域分割和分时工作的方式对微波雷达感测芯片的电压域进行分割并分别供电。

Description

单片集成的低功耗微波雷达感测芯片及雷达模组

技术领域

本发明涉及微波雷达感测芯片技术领域，具体涉及单片集成的低功耗微波雷达感测芯片及雷达模组。

背景技术

微波是指频率在300MHz～300GHz范围内的极高频电磁波，其波长范围从1m到1mm。微波具有直线(视距)传播，不受其他电磁波干扰，频带宽，系统体积小等特点，首先在通信领域得到广泛应用。微波技术另一最重要应用当属雷达，使用微波雷达对远距离飞行目标测速、测距、测方位早在第二次世界大战中就已成功应用。

不同于红外探测器，这种微波组件对各种可以反射微波的物体都很敏感，且不受环境温度的影响，因此广泛用于工业、交通及民用装置中，如车辆测速、液位测定、自动门、自动灯、自动盥洗、生产线物料探测、倒车雷达等。报警产品中微波探测器使用这种微波传感器组件，配合周边的电子器件，基于多普勒效应的应用就构成了移动目标微波探测器，即多普勒雷达。

微波探测器所使用的多普勒雷达主要类型为连续波(CW)多普勒雷达(DopplerRadar)。雷达利用电磁波发射后遇到障碍物反射的回波信号对其不断检测，射频收发前端通过天线接收回波信号并与发射信号进行差频处理，再送至后级信号处理模块，根据中频信号来探测目标的相对速度和距离等信息。

由多普勒效应得知，固定安装的雷达发出的固定频率微波，遇到静止物体产生的反射波其频率并不改变，遇到运动物体产生的反射波将会发生多普勒频移，频率的改变类似相对速度的计算，图1是多普勒频移的计算，其中：V＝汽车行驶速度；C＝微波行进速度，300,000Km/S；λt＝发射波微波波长；λr＝反射波微波波长。多普勒雷达在发射微波信号的同时接受反射波信号，并将两者相混差频产生一个新的低频信号，称多普勒信号，其频率称为多普勒频率，是发射频率和反射频率之差：

多普勒频率＝|发射频率–反射频率|＝|1/λt-1/λr|＝|ft-fr|

根据上面公式计算可得：人步行速度1.5m/s，多普勒频移40Hz；车辆限速20Km/h，多普勒频移220Hz。

微波射频模块大多采用分立器件设计而成，模块由低噪声放大器、混频器、滤波器、功率放大器等分立器件组成，器件之间需要用波导微带线的方式进行匹配。由于信号频率高，就要求分立器件接地线要短、分布参数小、在高频电路中必须多接地线，并且要求每根接地线的长度小于信号波长的1/100,同时分立器件的级间匹配非常敏感，导致系统调试困难，产品体积庞大，功耗高，成本高，不利于大规模生产。

随着微波半导体技术的进步，可将射频前端模块集成到一颗芯片上，但是这种单片微波集成电路(MMIC)多采用昂贵的化合物半导体GaAs(砷化镓)工艺，GaAs工艺很难集成大规模的数字电路，且成本高功耗高。然而，现有的微波/毫米波电路尚不能将射频前端、信号处理电路、模拟电路、MCU数字控制电路集成到同一基底材料的芯片电路中，另外，射频微波芯片功耗高，无法在电池供电的系统中应用，也无法满足物联网应用要求的极低成本和功耗的要求。

因此，我们亟待一种单片集成的低功耗微波雷达感测芯片及雷达模组，采用RF-CMOS(互补金属氧化物)工艺，将低噪声放大器、混频器、滤波器、功率放大器等射频电路模块、模拟电路模块、数字电路模块(包含MCU控制模块)等模拟和数字电路集成到一颗芯片中形成片上系统(SoC)；本发明采用电压域分割和分时工作的方式，对芯片内部的数字电路模块、模拟电路模块、射频电路模块的电压域进行分割并分别供电，这样不仅有效解决了各个模块间电源的相互干扰还能在不同工作模式进行供电，大幅度降低了系统整体功耗；本发明还对功耗最高的射频电路模块的各个子模块进行针对性的低功耗设计，有效降低了射频电路模块的功耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的微波电路尚不能将射频前端、信号处理电路、模拟电路、MCU数字控制电路集成到同一基底材料的芯片电路中，射频微波芯片功耗高，无法在电池供电的系统中应用，也无法满足物联网应用要求的极低成本和功耗的要求的问题；本发明提供了解决上述问题的单片集成的低功耗微波雷达感测芯片及雷达模组。

本发明通过下述技术方案实现：

单片集成的低功耗微波雷达感测芯片，微波雷达感测芯片包括射频电路模块、模拟电路模块和数字电路模块，采用RF-CMOS互补金属氧化物工艺，将所述射频电路模块、所述模拟电路模块和所述数字电路模块集成到一颗芯片中形成片上系统；所述微波雷达感测芯片通过外接的无源晶体振荡器输入信号XTAL_P/XTAL_N为系统提供基础时钟，通过TX发射天线向外发射雷达信号，通过RX接收天线接收目标反射回来的信号；采用电压域分割和分时工作的方式对所述微波雷达感测芯片的电压域进行分割并分别供电。

在微波技术领域公知射频电路的工作功耗是非常高的，尤其是分立器件的射频器件需要工作在7～12V电压，其功耗就更高了；本发明采用RF-CMOS互补金属氧化物工艺，将所述射频电路模块、所述模拟电路模块和所述数字电路模块集成到一颗芯片中形成片上系统；采用0.18um RF-CMOS工艺可以在3.3V电压下工作，功耗得以很大降低，但TX发射天线的TX发射链路持续工作，其功耗还是比较高的，为了能让微波雷达感测芯片能在对功耗有严苛要求的物联网领域应用，本发明采用电压域分割和分时工作的方式，对芯片内部的数字电路模块、模拟电路模块、射频电路模块的电压域进行分割并分别供电，这样不仅有效解决了各个模块间电源的相互干扰还能在不同工作模式进行供电，大幅度降低了系统整体功耗；采用本发明设计的微波雷达感测芯片具有集成度高、功耗低、射频性能一致性好、成本很低、外围电路简单，可应用于功耗有严苛要求的物联网领域。

进一步地，所述微波雷达感测芯片被分成四个电压域，包括控制电压域、数字电压域、模拟电压域和射频电压域；所述控制电压域包括MCU控制模块、电源管理模块和环路振荡器；所述数字电压域包括数字信号处理模块、FSK调制器；所述模拟电压域包括ADC模数转换器、PLL锁相环、温度传感器、可控开关；所述射频电压域包括LNA低噪声放大器、MIX混频器、可调增益Buffer驱动器、LPF低通滤波器、VCO压控振荡器、LO Buffer本振驱动器、PA功率放大器；所述电源管理模块包括LDO低压差线性稳压器；所述控制电压域外部连接电源VCC，电源VCC用于给所述控制电压域供电；所述电源管理模块将电源VCC输入的电压转换成受控的四组电压对应地给所述数字电压域、所述模拟电压域和所述射频电压域分别供电。

进一步地，所述温度传感器用于实时检测所述微波雷达感测芯片工作时的温度，通过与之连接的MCU控制模块设置阈值，当超过设定阈值进行预警，并自动进行过温保护；所述温度传感器实时检测芯片工作时的温度，通过MCU控制模块设置预警值，当温度超过预警值时，所述温度传感器向MCU控制模块发出中断预警，MCU控制模块立刻关断数字电压域、模拟电压域和射频电压域的电源，实现自动过温保护的功能。

进一步地，所述电源管理模块将电源VCC输入的电压转换成受控的四组电压分别为3.3V模拟电压、3.3V射频电压、1.8V射频电压、1.8V数字电压，其中：1.8V数字电压给所述数字电压域供电；1.8V数字电压和3.3V模拟电压给所述模拟电压域供电；3.3V射频电压和1.8V射频电压给所述射频电压域供电；电源管理模块采用单电源进行供电，这样不仅减少了IO管脚还减小了封装尺寸，在雷达模组设计时还省去了电源管理芯片，降低了雷达模组成本。

进一步地，所述MCU控制模块内部设置有定时器，通过所述定时器控制所述控制电压域、所述数字电压域、所述模拟电压域和所述射频电压域的供电或者关断；所述控制电压域内的环路振荡器通过外部无源晶体振荡器起振后给MCU控制模块提供运行时钟CLK，所述MCU控制模块内部的定时器，在待机模式下仅有控制电压域是供电的，其余电压域(数字电压域、模拟电压域和射频电压域)的电压都是关断的；当定时器设定时间到后MCU控制模块通过电源管理模块给数字电压域、模拟电压域、射频电压域进行供电，进入正常工作模式；所述定时器定时时间范围在1～999毫秒之间可调，设定的待机时间越长，芯片的平均功耗越低，但是会影响芯片的工作效率，需要根据实际应用设定待机时间。

进一步地，采用保护环对所述微波雷达感测芯片的四个电压域模块进行分割隔离，使各电压域模块分离一段距离，这样可以避免各电压域模块相互干扰，防止闩锁效应，隔离噪声，提供衬底连接等作用；其中，保护环由多数载流子保护环和少数载流子保护环组成，以增强保护隔离的效果。

进一步地，采用0.18um RF-CMOS互补金属氧化物工艺，其NMOS管的截止频率fmax为60GHz。

本发明尤其涉及C波段即4～8GHz频率，相比Ku波段24GHz以上的频率，该波段频率不高，射频电路工作功耗低；可以采用亚微米的CMOS工艺如0.18um，价格低廉，制造成本很低。

半导体领域所公知的，GaAs工艺在电子迁移率、击穿电压、衬底损耗、输出功率、线性度等方面相比CMOS工艺更具优势，但随着CMOS工艺进入到深亚微米领域，器件的特征尺寸不断缩小，晶体管的单位增益截止频率不断提高，变得可以和GaAs相比拟。晶体管中的寄生电容，包括栅极-漏极交迭电容(gate-drain overlap capacitance)和漏极-体结电容(drain-bulk junction capacitance)限制了fmax频率的提升，而fmax反映了实际配置中晶体管的速率极限。本发明采用0.18um RF-CMOS互补金属氧化物工艺，其NMOS管的截止频率fmax在60GHz左右，完全满足工作频率在4～8GHz的要求。

更详细得，所述RF-CMOS互补金属氧化物工艺采用双阱工艺，包括一个N阱和一个P阱来定义NMOS和PMOS的有源区。采用倒掺杂技术来优化晶体管的电学特性，这一技术采用高能量、大剂量的注入、深入硅衬底大概1um左右，随后的阱注入在相同区域进行，只是注入能量、结深以及掺杂都有大幅度的减少。阱注入决定了晶体管的阈值工作电压，同时避免闩锁效应和其他可靠性方面的问题；还选用DNW(Deep N-Well)制程来抑制衬底噪声，以及顶层金属加厚来提高集成电感的品质因子(Q)。

单片集成的低功耗微波雷达模组，包括单片集成的低功耗微波雷达感测芯片，还包括均与所述耗微波雷达感测芯片连接的接收天线、发射天线、无源晶体振荡器、电阻/电容器件和接插件，且它们均集成于PCB印制电路板上；

所述接收天线，用于接收目标发射信号；

所述发射天线，用于把所述耗微波雷达感测芯片的雷达信号发射出去；

所述无源晶体振荡器，用于给所述微波雷达感测芯片提供振荡源时钟，相比有源晶体，无源晶体价格要便宜很多；

所述电阻/电容器件，用于给所述微波雷达感测芯片提供RC上电复位及电源滤波；

所述接插件，用于将所述微波雷达感测芯片的接口信号传送出去并跟外部电路实现电气连接。

进一步地，所述PCB印制电路板采用常用双层FR-4式环氧玻璃布层压板，基于本发明针对的是C波段频率不高，无需使用昂贵的高频电路板，故PCB印制电路板采用常用双层FR-4(环氧玻璃布层压板)，价格非常便宜；而所述接收天线和发射天线均采用在印制电路板印制金属线的方式实现，成本极低。

单片集成的低功耗微波雷达模组具有一致性好、集成度高、体积小、功耗很低、成本非常低的特点；单片集成的低功耗微波雷达模组的微波雷达感测芯片内置有MCU控制模块，通过软件可以对所述雷达模组进行控制，无需改动外部的硬件电路，就能实现不同的雷达探测功能如测速或者测距功能，灵活性非常高。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明的单片集成的低功耗微波雷达感测芯片采用RF-CMOS互补金属氧化物工艺，将所述射频电路模块、所述模拟电路模块和所述数字电路模块集成到一颗芯片中形成片上系统；

2、本发明的单片集成的低功耗微波雷达感测芯片采用电压域分割和分时工作的方式，对芯片内部的数字电路模块、模拟电路模块、射频电路模块的电压域进行分割并分别供电，这样不仅有效解决了各个模块间电源的相互干扰还能在不同工作模式进行供电，大幅度降低了系统整体功耗；采用本发明设计的微波雷达感测芯片具有集成度高、功耗低、射频性能一致性好、成本很低、外围电路简单，可应用于功耗有严苛要求的物联网领域；

3、本发明的单片集成的低功耗微波雷达模组具有一致性好、集成度高、体积小、功耗很低、成本非常低的特点；单片集成的低功耗微波雷达模组的微波雷达感测芯片内置有MCU控制模块，通过软件可以对所述雷达模组进行控制，无需改动外部的硬件电路，就能实现不同的雷达探测功能如测速或者测距功能，灵活性非常高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为现有技术中的多普勒频移的计算波形图。

图2为本发明单片集成的低功耗微波雷达感测芯片的系统框架组成图。

图3为本发明单片集成的低功耗微波雷达感测芯片的电压域分割图。

图4为本发明的单片集成的低功耗微波雷达模组结构图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-微波雷达感测芯片，10-控制电压域，11-数字电压域，12-模拟电压域，13-射频电压域，100-数字信号处理模块，101-ADC模数转换器，102-LPF低通滤波器，103-可调增益Buffer驱动器，104-MIX混频器，105-LNA低噪声放大器，106-PA功率放大器，107-可控开关，108-LO Buffer本振驱动器，109-VCO压控振荡器，110-PLL锁相环，111-环路振荡器，112-FSK调制器，113-电源管理模块，114-MCU控制模块，115-温度传感器，200-RX接收天线，201-TX发射天线，202-PCB印制电路板，203-无源晶体振荡器，204-电阻/电容器件，205-接插件，1131-LDO低压差线性稳压器，1141-UART/SPI/I2C接口模块，1142-定时器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图2、图3所示，单片集成的低功耗微波雷达感测芯片，微波雷达感测芯片1包括射频电路模块、模拟电路模块和数字电路模块，采用RF-CMOS互补金属氧化物工艺，将所述射频电路模块、所述模拟电路模块和所述数字电路模块集成到一颗芯片中形成片上系统；所述微波雷达感测芯片1通过外接的无源晶体振荡器输入信号XTAL_P/XTAL_N为系统提供基础时钟，通过TX发射天线201向外发射雷达信号，通过RX接收天线200接收目标反射回来的信号；采用电压域分割和分时工作的方式对所述微波雷达感测芯片1的电压域进行分割并分别供电。其中，具体采用0.18um RF-CMOS互补金属氧化物工艺，其NMOS管的截止频率fmax为60GHz。

在微波技术领域公知射频电路的工作功耗是非常高的，尤其是分立器件的射频器件需要工作在7～12V电压，其功耗就更高了；本发明采用RF-CMOS互补金属氧化物工艺，将所述射频电路模块、所述模拟电路模块和所述数字电路模块集成到一颗芯片中形成片上系统；采用0.18um RF-CMOS工艺可以在3.3V电压下工作，功耗得以很大降低，但TX发射天线201的TX发射链路持续工作，其功耗还是比较高的，为了能让微波雷达感测芯片1能在对功耗有严苛要求的物联网领域应用，本发明采用电压域分割和分时工作的方式，对微波雷达感测芯片1内部的数字电路模块、模拟电路模块、射频电路模块的电压域进行分割并分别供电，这样不仅有效解决了各个模块间电源的相互干扰还能在不同工作模式进行供电，大幅度降低了系统整体功耗；采用本发明设计的微波雷达感测芯片1具有集成度高、功耗低、射频性能一致性好、成本很低、外围电路简单，可应用于功耗有严苛要求的物联网领域。

具体地，图2为单片集成的低功耗微波雷达感测芯片的系统框架组成图，微波雷达感测芯片1包括：(1)射频电路模块，它包括：LNA低噪声放大器105、MIX混频器104、可调增益Buffer驱动器103、LPF低通滤波器102、VCO压控振荡器109、LO Buffer本振驱动器108、PA功率放大器106；(2)模拟电路模块，它包括：ADC模数转换器101、环路振荡器111、PLL锁相环110、电源管理模块113、温度传感器115、可控开关107；(3)数字电路模块，它包括：MCU控制模块114、数字信号处理模块100、FSK调制器112。

由图2清楚地得知，单片集成的低功耗微波雷达感测芯片包括接收和发射两个通路，所述接收通路包括：RX接收天线200、LNA低噪声放大器105、MIX混频器104、可调增益Buffer驱动器103、LPF低通滤波器102、ADC模数转换器101；所述发射通路包括：环路振荡器111、PLL锁相环110、VCO压控振荡器109、FSK调制器112、LO Buffer本振驱动器108、可控开关107、PA功率放大器106、TX发射天线201。

更详细地，微波雷达感测芯片1工作时，通过外部无源晶体振荡器的输入信号XTAL_P/XTAL_N为系统提供基础时钟，环路振荡器111产生的参考频率Fref经PLL锁相环110倍频及锁频后输入VCO压控振荡器109生成微波信号Mwave，所生成的微波信号Mwave经LOBuffer本振驱动器108后被分成两路，一路经PA功率放大器106放大后送至TX发射天线201，作为雷达发射信号被发射出去；另一路被送至MIX混频器104作为本振信号LO。FSK调制器112的输出信号经PA功率放大器106传送给TX发射天线201，LO Buffer本振驱动器108的输出端和PA功率放大器106的输入端之间连接有可控开关107。

当微波雷达感测芯片1接收目标发射信号时，所述RX接收天线200将目标反射回来的信号输入LNA低噪声放大器105放大后，输入MIX混频器104与LO本振信号混频得到差拍的中频信号IF，再通过可调增益Buffer驱动器103及LPF低通滤波器102，最后输入ADC模数转换器101得到数字基带信号并送至数字信号处理模块100进行数字信号处理。所述可调增益Buffer驱动器103可通过MCU 114控制调节增益，以使得中频信号IF放大到ADC的满量程值上，使ADC达到最佳的SNR。

所述FSK调制器112采用频移键控，这种调制方式实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好；产生FSK信号最简单的方法是根据输入的数据比特是0还是1，在两个独立的振荡器中切换；采用这种方法产生的波形在切换的时刻相位是不连续的，因此这种FSK信号为不连续FSK信号。

图3为单片集成的低功耗微波雷达感测芯片的电压域分割图，其中：

所述微波雷达感测芯片1被分成四个电压域，包括控制电压域10、数字电压域11、模拟电压域12和射频电压域13；所述控制电压域10包括MCU控制模块114、电源管理模块113和环路振荡器111；所述数字电压域11包括数字信号处理模块100、FSK调制器112；所述模拟电压域12包括ADC模数转换器101、PLL锁相环110、温度传感器115、可控开关107；所述射频电压域13包括LNA低噪声放大器105、MIX混频器104、可调增益Buffer驱动器103、LPF低通滤波器102、VCO压控振荡器109、LO Buffer本振驱动器108、PA功率放大器106；所述电源管理模块113包括LDO低压差线性稳压器1131；所述控制电压域10外部连接电源VCC，电源VCC用于给所述控制电压域10供电；所述电源管理模块113将电源VCC输入的电压转换成受控的四组电压对应地给所述数字电压域11、所述模拟电压域12和所述射频电压域13分别供电。

所述温度传感器115用于实时检测所述微波雷达感测芯片1工作时的温度，通过与之连接的MCU控制模块114设置阈值，当超过设定阈值进行预警，并自动进行过温保护；所述温度传感器115实时检测芯片工作时的温度，通过MCU控制模块114设置预警值，当温度超过预警值时，所述温度传感器115向MCU控制模块114发出中断预警，MCU控制模块114立刻关断数字电压域11、模拟电压域12和射频电压域13的电源，实现自动过温保护的功能。

本实施例中利用MOS管阈值电压的温度特性来设计温度传感器115，优选用NMOSEFT串联分压来实现阈值电压变化来设计张弛振荡型温度传感器115，该结构电路简单、功耗低、易于集成。

所述电源管理模块113将电源VCC输入的电压转换成受控的四组电压分别为3.3V模拟电压、3.3V射频电压、1.8V射频电压、1.8V数字电压，其中：1.8V数字电压给所述数字电压域11供电；1.8V数字电压和3.3V模拟电压给所述模拟电压域12供电；3.3V射频电压和1.8V射频电压给所述射频电压域13供电；电源管理模块113采用单电源进行供电，这样不仅减少了IO管脚还减小了封装尺寸，在雷达模组设计时还省去了电源管理芯片，降低了雷达模组成本。

所述MCU控制模块114内部设置有定时器1142，通过所述定时器1142控制所述控制电压域10、所述数字电压域11、所述模拟电压域12和所述射频电压域13的供电或者关断；所述控制电压域10内的环路振荡器111通过外部无源晶体振荡器起振后给MCU控制模块114提供运行时钟CLK，所述MCU控制模块114内部的定时器1142，在待机模式下仅有控制电压域10是供电的，其余电压域(数字电压域11、模拟电压域12和射频电压域13)的电压都是关断的；当定时器1142设定时间到后MCU控制模块114通过电源管理模块113给数字电压域11、模拟电压域12、射频电压域13进行供电，进入正常工作模式；所述定时器1142定时时间范围在1～999毫秒之间可调，设定的待机时间越长，芯片的平均功耗越低，但是会影响芯片的工作效率，需要根据实际应用设定待机时间。

如图2、图3中的所述MCU控制模块114，控制数字信号处理模块100进行雷达信号处理，并接收处理后得到的探测目标的距离、速度等信息，再通过UART/SPI/I2C接口模块1141将信息传输出去。

本发明还对功耗最高的射频电路模块的各个子模块进行针对性的低功耗设计，有效降低了射频电路模块的功耗。

基于低噪声放大器位于接收机的前端，是射频接收机前端非常重要的模块，所以其性能的优劣对整个接收机起着关键的作用；所述LNA低噪声放大器105采用差分对结构，可以有效地抑制通过衬底耦合产生的共模噪声，降低寄生电感的灵敏性和电路的噪声系数；在多级放大器中，由于每级电路都要消耗电流导致电路电流随着电路级数增加而增加，本实施例中采用CS-CS cascaded(级联)电流复用技术来降低功耗。

在以亚微米CMOS技术实现GHz VCO过程中，有两种选择方案：环形振荡器或基于LC振荡回路谐振频率的振荡器。在该LC振荡回路中的电感器可以用有源电感或无源电感方式实现。环形振荡器和有源LC振荡器的相位噪声与功耗成反比，因此，对于低功率、低相位噪声的VCO，唯一的可行解决方案就是带无源电感的LC振荡器。在此条件下，相位噪声将与功耗成正比，该振荡器唯一的缺点就是集成的无源电感。本实施例中采用的0.18um RF-CMOS工艺以顶层金属加厚来提高集成电感的品质因子并设计成螺旋形线圈来实现高H值的电感，故所述VCO压控振荡器109采用带无源电感的LC振荡器。

混频器作为射频接收机中的关键部件，负责实现射频接收机的频率转换，其性能直接影响着整个接收机的性能，混频器的设计通常需要考虑转换增益、线性度、噪声系数、端口隔离度及功耗等指标，本实施例中，所述MIX混频器104采用高性能的吉尔伯特双平衡有源混频器结构，其具有很好的端口隔离特征、较低的噪声系数和较低的功耗，能提供较大的混频增益，对本噪声和伪噪声抑制能力强。

所述PA功率放大器106采用新型的高效率E类功率放大器。该功率放大器由两级电路级联组成，驱动级采用电流复用技术在实现高增益的同时，降低了偏置电流；功率级电路通过采用共源共栅的自偏置技术提高功率放大器的输出功率；另外，在开关场效应管的漏极插入串联LC网络，其目的是消除寄生电容的影响，改善功率放大器的线性度。为了降低功耗，电路采用了可改变场效应管阈值电压的衬底偏置技术。

低通滤波器用于去掉输入信号中不必要的高频成分，去除高频干扰。所述LPF低通滤波器102采用超低功耗有源Gm-C结构，该结构以滤波器的传递函数为基础设计的二阶滤波单元，然后通过级联实现四阶低通滤波器整体电路，采用巴特沃兹逼近方式，大大降低了滤波器的功耗。为提高低通滤波器各个滤波单元之间以及滤波单元内部跨导之间的匹配性，二阶滤波单元采用等跨导的结构设计，同时将低通滤波器中的电容均跨接在差分电路中以节省芯片面积。

针对版图设计本发明采用保护环(Guard Ring)来对各电压域的模块进行分割隔离，并使得各电压域模块分离一段距离；这样可以避免各电压域模块相互干扰，防止Latch-up(闩锁效应)，隔离噪声，提供衬底连接等作用。其中，保护环主要分成两种：1，多数载流子保护环；2，少数载流子保护环，本发明采用双层保护环，即是由多数载流子保护环和少数载流子保护环共同构成，以增强保护隔离的效果。

集成电路封装领域所公知的，Wire-bond(邦定线)和封装结构对高频电路的相位噪声和传输性能有很大的影响，由于邦定线的寄生感应系数约为1nH/mm，邦定线长度越长寄生电感越大。

本发明采用QFN(Quad Flat No-lead Package，方形扁平无引脚封装)最大程度减少了邦定走线，并对射频管脚采用双金丝邦定，金丝的寄生电感相比铜丝或其他合金材料是最小的，采用该结构测试数据可得：回波损耗-12dB，插损0.3dB，满足射频性能要求。

实施例2

如图4所示，本实施例与实施例1的区别在于，

单片集成的低功耗微波雷达模组20，包括单片集成的低功耗微波雷达感测芯片1，还包括均与所述耗微波雷达感测芯片1连接的接收天线200、发射天线201、无源晶体振荡器203、电阻/电容器件204和接插件205，且它们均集成于PCB印制电路板202上；

所述接收天线200，用于接收目标发射信号；

所述发射天线201，用于把所述耗微波雷达感测芯片1的雷达信号发射出去；

所述无源晶体振荡器203，用于给所述微波雷达感测芯片1提供振荡源时钟；

所述电阻/电容器件204，用于给所述微波雷达感测芯片1提供RC上电复位及电源滤波；

所述接插件205，用于将所述微波雷达感测芯片1的接口信号传送出去并跟外部电路实现电气连接。

所述PCB印制电路板202采用常用双层FR-4式环氧玻璃布层压板，基于本发明针对的是C波段频率不高，无需使用昂贵的高频电路板，故PCB印制电路板202采用常用双层FR-4(环氧玻璃布层压板)，价格非常便宜。

所述接收天线200和发射天线201均采用在印制电路板印制金属线的方式实现，成本极低。

单片集成的低功耗微波雷达模组具有一致性好、集成度高、体积小、功耗很低、成本非常低的特点；单片集成的低功耗微波雷达模组的微波雷达感测芯片1内置有MCU控制模块114，通过软件可以对所述雷达模组进行控制，无需改动外部的硬件电路，就能实现不同的雷达探测功能如测速或者测距功能，灵活性非常高。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.单片集成的低功耗微波雷达感测芯片，其特征在于：微波雷达感测芯片(1)包括射频电路模块、模拟电路模块和数字电路模块，采用RF-CMOS互补金属氧化物工艺，将所述射频电路模块、所述模拟电路模块和所述数字电路模块集成到一颗芯片中形成片上系统；所述微波雷达感测芯片(1)通过外接的无源晶体振荡器输入信号XTAL_P/XTAL_N为系统提供基础时钟，通过TX发射天线(201)向外发射雷达信号，通过RX接收天线(200)接收目标反射回来的信号；采用电压域分割和分时工作的方式对所述微波雷达感测芯片(1)的电压域进行分割并分别供电；

所述微波雷达感测芯片(1)被分成四个电压域，包括控制电压域(10)、数字电压域(11)、模拟电压域(12)和射频电压域(13)；所述控制电压域(10)包括MCU控制模块(114)、电源管理模块(113)和环路振荡器(111)；所述控制电压域(10)外部连接电源VCC，电源VCC用于给所述控制电压域(10)供电；所述电源管理模块(113)将电源VCC输入的电压转换成受控的四组电压对应地给所述数字电压域(11)、所述模拟电压域(12)和所述射频电压域(13)分别供电；

所述电源管理模块(113)将电源VCC输入的电压转换成受控的四组电压分别为3.3V模拟电压、3.3V射频电压、1.8V射频电压、1.8V数字电压，其中：1.8V数字电压给所述数字电压域(11)供电；1.8V数字电压和3.3V模拟电压给所述模拟电压域(12)供电；3.3V射频电压和1.8V射频电压给所述射频电压域(13)供电；

所述MCU控制模块(114)内部设置有定时器(1142)，通过所述定时器(1142)控制所述控制电压域(10)、所述数字电压域(11)、所述模拟电压域(12)和所述射频电压域(13)的供电或者关断；

采用0.18um RF-CMOS互补金属氧化物工艺，其NMOS管的截止频率fmax为60GHz。

2.根据权利要求1所述的单片集成的低功耗微波雷达感测芯片，其特征在于：所述数字电压域(11)包括数字信号处理模块(100)、FSK调制器(112)；所述模拟电压域(12)包括ADC模数转换器(101)、PLL锁相环(110)、温度传感器(115)、可控开关(107)；所述射频电压域(13)包括LNA低噪声放大器(105)、MIX混频器(104)、可调增益Buffer驱动器(103)、LPF低通滤波器(102)、VCO压控振荡器(109)、LO Buffer本振驱动器(108)、PA功率放大器(106)；所述电源管理模块(113)包括LDO低压差线性稳压器(1131)。

3.根据权利要求2所述的单片集成的低功耗微波雷达感测芯片，其特征在于：所述温度传感器(115)用于实时检测所述微波雷达感测芯片(1)工作时的温度，通过与之连接的MCU控制模块(114)设置阈值，当超过设定阈值进行预警，并自动进行过温保护。

4.根据权利要求1所述的单片集成的低功耗微波雷达感测芯片，其特征在于：采用保护环对所述微波雷达感测芯片(1)的四个电压域模块进行分割隔离，使各电压域模块分离一段距离，其中，保护环由多数载流子保护环和少数载流子保护环组成。

5.单片集成的低功耗微波雷达模组，其特征在于：包括如权利要求1至4中任意一项所述的单片集成的低功耗微波雷达感测芯片(1)，还包括均与所述耗微波雷达感测芯片(1)连接的接收天线(200)、发射天线(201)、无源晶体振荡器(203)、电阻/电容器件(204)和接插件(205)，且它们均集成于PCB印制电路板(202)上；

所述接收天线(200)，用于接收目标发射信号；

所述发射天线(201)，用于把所述耗微波雷达感测芯片(1)的雷达信号发射出去；

所述无源晶体振荡器(203)，用于给所述微波雷达感测芯片(1)提供振荡源时钟；

所述电阻/电容器件(204)，用于给所述微波雷达感测芯片(1)提供RC上电复位及电源滤波；所述接插件(205)，用于将所述微波雷达感测芯片(1)的接口信号传送出去并跟外部电路实现电气连接。

6.根据权利要求5所述的单片集成的低功耗微波雷达模组，其特征在于：所述PCB印制电路板(202)采用常用双层FR-4式环氧玻璃布层压板，所述接收天线(200)和发射天线(201)均采用在印制电路板印制金属线的方式实现。

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