CN110658499A - 一种毫米波射频收发电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波雷达射频收发电路，包括电源管理PMIC模块、低压差线性稳压器LDO1和LDO2模块、FLASH功能模块、雷达芯片模块、一分八功率分配器1和2模块、16个功率放大器模块、功率合成输出模块，所述的电源管理PMIC模块提供四种电压，电压经低压差线性稳压器处理来驱动雷达芯片工作；雷达芯片QSPI接口接FLASH功能模块，以烧写代码；雷达芯片射频输出接一分八功率分配器，把原来两路信号均分为16路信号，再经功率放大器后接入到功率合成器模块，最后合成一路总信号；本发明的优点在于最后输出一路功率大于22dBm的射频信号，相比于原始信号功率放大了约6倍，极大的提高了毫米波雷达的探测距离。

Description

一种毫米波射频收发电路

技术领域

本发明涉及一种射频电路，尤其是涉及一种工作在77GHz频段的、输出功率大于22dBm的毫米波射频收发电路。

背景技术

毫米波是工作在毫米波波段、工作频率在30～300GHz、波长在1～10mm之间的电磁波。毫米波的波长介于微波和光波之间，因此毫米波雷达兼有微波雷达和光电雷达的一些优点，比如对沙尘和烟雾具有很强的穿透能力、全天候通信等。毫米波通信还具有带宽大、波束窄、探测能力强、安全保密好等优点。毫米波的潜在应用包括毫米波成像、亚太赫兹化学探测器，以及在天文学、化学、物理、医学和安全方面的应用。发展毫米波器件一直是发展毫米波技术的先导,研制宽带、低噪声、大功率的毫米波射频收发电路是现时的科研热点。随着车载雷达等高速率宽频带通信应用的市场需求不断扩大，设计实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的毫米波单片集成电路迫在眉睫。本发明主要应用于汽车内的生命体征检测。利用毫米波雷达对生命体呼吸、心跳信号进行监测，可以实时获取生命体的呼吸、心跳的特征数据，从而为生命体的健康预警提供一种重要监测手段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种发射功率大于22dBm、天线阻抗为50欧、探测距离远、功耗低的毫米波射频收发电路。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种毫米波射频收发电路，包括电源管理PMIC模块、低压差线性稳压器LDO1模块、低压差线性稳压器LDO2模块、FLASH功能模块、雷达芯片模块、一分八功率分配器1模块、一分八功率分配器2模块、十六个功率放大器模块、功率合成输出模块，所述的电源管理模块的PMIC开关稳压器提供四种电压，分别为2.3V、1.8V、1.2V、3.3V，通过两个低压差线性稳压器对电压2.3V和1.8V进行处理后分别获得1.8V和1.3V的电压，以此四路电压来驱动雷达芯片工作；毫米波雷达芯片的QSPI接口接FLASH功能模块，以烧写代码用；雷达芯片的两个射频输出分别接入一个一分八功率分配器，这样把原来的两路信号均匀分配后得到16路信号，这16路信号分别经过16个功率放大器后接入到功率合成器模块，最后这16路经过功率放大后的信号合成一路总信号；本发明最后输出一路功率大于22dBm的射频信号，相比于原始信号功率放大了约6倍；毫米波雷达接收天线、功率放大器和功率合成器的输入输出阻抗均为50欧。

所述的电源管理模块由电源管理PMIC芯片、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第十四电容、第十五电容、第十六电容、第十七电容组成，所述的电源管理PMIC芯片使用Digi-Key公司的LP87524BRNFRQ1，其第10、12、25、23管脚分别与第一、二、三、四电感相连接，分别输出3.3V、1.2V、1.8V、2.3V四路电压，此模块的作用是提供4种电压，经LDO模块后供给毫米波雷达芯片AWR1642以使其正常工作。

所述的低压差线性稳压器LDO1模块由低压差线性稳压器LDO1芯片、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一电阻组成，所述的低压差线性稳压器LDO1芯片使用TI公司的TPS7A8101QDRBRQ1，其7、8号管脚接入上述PMIC输出的2.3V电压，其1号管脚输出1.8V的电压供给毫米波雷达芯片AWR1642；此模块的作用是将PMIC供给的2.3V电压进行压降处理，使输出更加稳定，输出1.8V的电压，满足AWR1642芯片的驱动电压。

所述的低压差线性稳压器LDO2模块由低压差线性稳压器LDO2芯片、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第十电容、第十一电容、第十二电容、第十三电容、第二电阻组成，所述的低压差线性稳压器芯片LDO2使用TI公司的TPS7A8801RTJR，其1、2、4、5管脚连接上述PMIC芯片输出的1.8V电压，其14、15管脚输出1.3V电压；此模块的作用是将PMIC供给的1.8V电压进行压降处理，使输出更加稳定，输出1.3V的电压供给毫米波雷达AWR1642芯片，满足AWR1642芯片的驱动电压。

所述的FLASH功能模块由非易失性闪存芯片和第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻组成，所属的FLASH芯片使用Digi-Key公司的MX25V1635FZNQ，FLASH为非易失性闪存器件，通过串行外设接口连接到系统，支持传统的单比特串行输入和输出以及可选的两位和4为串行协议，此模块的作用是通过QSPI接口，将代码烧写至FLASH，即使掉电后烧录的代码也不会被擦除，可通过专门的工具进行擦除。

所述的毫米波雷达芯片使用TI公司的AWR1642，该器件是一种集成的单芯片FMCW雷达传感器，能够在76～81GHz频带内工作，该器件采用TI低功耗RFCMOS工艺制造，以极小的外形实现了前所未有的集成度，同时也是汽车领域低功耗、超精准雷达系统的理想解决方案；所述的AWR1642芯片具有两个发射天线和四个接收天线，单一发送天线发送功率为12dBm，两个发送天线单元的发送功率相加为15dBm，天线输入输出阻抗为50欧，在该发明中，两个发射天线端口分别与两个一分八功率分配器连接；所述的毫米波雷达芯片AWR1642由上述的PMIC、LDO1、LDO2的输出电压来驱动。此模块的作用是探测并处理生命体心跳与呼吸数据。

所述的一分八功率分配器模块1与一分八功率分配器模块2使用基片集成波导SIW技术，SIW是一种新的微波传输线形式，其利用金属通孔在介质基片上实现波导的场传播模式，其基本思想是在介质基片上用相邻很近的金属化通孔形成电壁，与上下金属面一起构成类似于普通矩形波导的结构，具有尺寸小、损耗低、集成度高、具有可逆性等优点；所述SIW模块使用半模基片集成波导，输出端的形状为缓面变化的抛物线结构，这种形状有利于减少微带和SIW过渡时的损耗；此结构使用的材料是Rogers3003，介电常数3.0，介质板厚度h＝0.5mm，插入损耗为3dB。所述半模基片集成波导的波导波长为λg＝2.68mm；所述的半模基片集成波导具有1个信号输入端和8个输出端，其中输入端分别连接上述雷达芯片AWR1642的功率输出，输出端负责输出经过功率分配后的信号；所述的SIW结构具有不可避免的损耗，经过测试，该结构工作在77GHz频段处具有3dB的插入损耗；所述的一分八功率分配器模块1与一分八功率分配器模块2的结构完全相同；此模块的作用是将上述AWR1642输出的2路信号均分成16路信号；上述的AWR1642单一发送单元发送的信号功率为12dBm，换算成单位瓦特为0.01584W,此信号接入一个一分八均分功率分配器，得到8路功率均为0.01584W/8＝0.00198W的信号，换算成单位dBm为2.97dBm；由于上述AWR1642发射了两路功率为12dBm的信号，这两路信号分别经过两个一分八均分功率分配器后，最终即得到16路功率均为2.97dBm的信号。

所述的功率放大模块由功率放大器芯片与二十个电容组成，所述的功率放大器芯片使用的是ADI公司的ADPA7001-Die，在3.5V电压的支持下，其工作在77GHz频率、室温25摄氏度时的增益为14.2dB,1dB压缩点P1dB标准值为17.5dB，输入输出阻抗均为50欧，本发明共用到16个ADPA7001型号的功率放大器；上述得到的16路功率均为2.97dBm的信号接入16个功率放大器，在14.2dB的增益下，每路信号的功率放大为2.97dBm+14.2dB＝17.17dBm，此时17.17dBm小于单个功率放大器1dB压缩点P1dB的标准值17.5dBm，故信号不会失真；所述的16个功率放大器的输出端连接功率合成输出模块；此模块的作用是放大毫米波雷达输出的信号功率，增大毫米波雷达的探测距离。

所述的功合成输出模块使用基片集成波导SIW技术，SIW是一种新的微波传输线形式，其利用金属通孔在介质基片上实现波导的场传播模式，其基本思想是在介质基片上用相邻很近的金属化通孔形成电壁，与上下金属面一起构成类似于普通矩形波导的结构，具有尺寸小、损耗低、集成度高等优点；所述SIW模块使用半模基片集成波导，输出端的形状为缓面变化的抛物线结构，这种形状有利于减少微带和SIW过渡时的损耗；所述的半模基片集成波导具有十六个信号输入端和一个输出端，其中十六个输入端分别与上述十六个功率放大器ADPA7001的输出端相连，一个输出端负责输出合成的功率信号；此结构使用的材料是Rogers3003，介电常数3.0，介质板厚度h＝0.5mm，插入损耗为3.5dB。所述半模基片集成波导的波导波长为λg＝2.68mm；所述的半模基片集成波导具有16个信号输入端和一个输出端，其中16个输入端分别连接上述16个功率放大器ADPA7001的16个功率输出，一个输出端负责输出合成的功率信号；所述的SIW结构具有不可避免的损耗，经过测试，该结构工作在77GHz频段处具有3.5dB的插入损耗；由上述可知16个功率放大器输出16路功率均为17.17dBm的信号，这16路信号输入到此功率合成器，经过合成并减去上述功分器3dB的插入损耗和SIW结构3.5dB的插入损耗后得到的1路合成信号的功率为17.17dBm+12dB-3dB-3.5dB＝22.67dBm，相比于AWR1642初始的输出功率15dBm大约放大了6倍，极大的增加了毫米波雷达的探测距离。此功率合成输出模块的功能是合成上述功率放大后的16路信号，输出一路总信号。

本发明的有益效果附图说明

(1)本发明通过功率放大器和功率合成器把雷达芯片AWR1642的“两发四收”天线虚拟为“一发四收”。(2)本发明中的基片集成波导SIW的输出端采用了抛物线结构设计，这种设计可以有效的减少功率合成时的损耗。(3)本发明通过功率放大合成的方式将原始功率放大了约6倍，极大地增加了雷达的探测距离。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明的总体框图。

图2是本发明电源管理PMIC模块的电路原理图。

图3是本发明低压差线性稳压器LDO1模块的电路原理图。

图4是本发明低压差线性稳压器LDO2模块的电路原理图。

图5是本发明FLASH功能模块的电路原理图。

图6是本发明毫米波雷达芯片AWR1642的电路原理图。

图7是本发明一分八均分功率分配器的模型图。

图8是本发明功率放大器的电路原理图。

图9是本发明功率合成输出模块的模型图。

附图说明

在图1中，一种毫米波射频收发电路，包括电源管理PMIC模块、两个低压差线性稳压器模块、FLASH功能模块、雷达芯片模块、两个一分八功率分配器模块、十六个功率放大器模块、功率合成输出模块，所述的电源管理模块的PMIC开关稳压器提供四种电压，分别为2.3V、1.8V、1.2V、3.3V，通过两个低压差线性稳压器对电压2.3V和1.8V进行处理后分别获得1.8V和1.3V的电压，以此四路电压来驱动雷达芯片工作；毫米波雷达芯片的QSPI接口接FLASH功能模块，以烧写代码用；雷达芯片的两个射频输出分别接入一个一分八均分功率分配器，这样把原来的两路信号均匀分配后得到16路信号，这16路信号分别经过16个功率放大器后接入到功率合成器模块，最后这16路经过功率放大后的信号合成一路总信号；本发明最后输出一路功率大于22dBm的射频信号，相比于原始信号功率放大了约6倍；毫米波雷达接收天线、功率放大器和功率合成器的输入输出阻抗均为50欧。

上述具体实施例中，如图2所示，电源管理PMIC模块由PMIC芯片、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第十四电容、第十五电容、第十六电容、第十七电容组成，PMIC芯片的9、13、22、24管脚接入5V的UNREG电压，芯片的11、26、17、4、27号管脚接地，芯片的6号管脚连接毫米波雷达芯片的AR_SDA引脚，芯片的7号管脚连接毫米波雷达的AR_SCL引脚，芯片的10号管脚与第一电感的一端相连，第一电感的另一端输出PMICOUT3.3V电压连接到毫米波雷达AWR1642的+3.3VD输入引脚，同时此端还连接第十四电容，而后接地；芯片的12号管脚与第二电感的一端相连，第二电感的另一端输出1.2V电压接入到毫米波雷达AWR1642的PMIC_1V2引脚，同时此段还连接第十五电容，而后接地；芯片的第25号管脚与第三电感的一端相连，第三电感的另一端输出1.8V电压接入到低压差线性稳压器LDO2的电压输入端，同时此端还连接第十六电容，而后接地；芯片的第23号管脚与第四电感的一端相连，第四电感的另一端接入到低压差线性稳压器LDO2的电压输入端，同时此端还连接第十七电容，而后接地。

上述具体实施例中，如图3所示，低压差线性稳压器LDO1模块由低压差线性稳压器LDO1芯片、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一电阻组成。第一电容、第二电容、第三电容两两并联，其一端连接LDO1芯片的7、8号管脚，同时此端还接入上述PMIC输出的2.3V电压，另一端与第四电容的一端相连接，此端还连接LDO1芯片的4、9号管脚，而后接地，同时第四电容的另一端连接LDO1芯片的6号管脚；第一电阻和第五电容呈并联关系，其一端与LDO1芯片的3号管脚相连，另一端与LDO1芯片的1、2号管脚相连，同时输出1.8V的电压，连接到毫米波雷达AWR1642的AR_1V8引脚。

上述具体实施例中，如图4所示，低压差线性稳压器LDO2模块由低压差线性稳压器LDO2芯片、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第十电容、第十一电容、第十二电容、第十三电容、第二电阻组成。第六电容、第七电容、第八电容、第九电容两两并联，其一端接地，另一端接入上述PMIC芯片输出的1.8V电压，同时此端还连接LDO2芯片的1、2、4、5管脚；LDO2芯片的3、13、21号管脚接地；第二电阻与第十电容并联形成闭合回路，其一端与LDO2芯片的14、15管脚相连；第十一电容、第十二电容、第十三电容两两并联形成闭合回路，其一端也连接LDO2芯片的14、15管脚；第二电阻与第十电容并联形成的闭合回路与第十一电容、第十二电容、第十三电容两两并联形成的闭合回路串联连接在一起，其相连接的一端为接入LDO2芯片14、15管脚的一端，同时此端输出1.3V的电压，接入到毫米波雷达AWR1642的AR_1P3_RF1引脚。

上述具体实施例中，如图5所示，FLASH功能模块由非易失性闪存芯片和第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻组成。FLASH芯片的4号与9号管脚接地；FLASH芯片的8号管脚连接毫米波雷达芯片AWR1642的+3.3VD引脚，1号管脚连接AWR1642的AR_QSPI_CS引脚同时也连接第四电阻，而后第四电阻的另一端也连接AWR1642的+3.3VD引脚；FLASH芯片的6号管脚连接第七电阻，而后第七电阻的另一端连接到AWR1642的AR_QSPI_SCLK引脚；FLASH芯片的5号管脚连接第八电阻，而后第八电阻的另一端连接到AWR1642的AR_QSPI_D0引脚；FLASH芯片的2号管脚连接第九电阻，而后第九电阻的另一端连接到AWR1642的AR_QSPI_D1引脚；FLASH芯片的3号管脚连接第十电阻，而后第十电阻的另一端连接到AWR1642的AR_QSPI_D2引脚，同时此端还连接第五电阻，然后第五电阻的另一端连接到AWR1642的+3.3VD引脚；FLASH芯片的7号管脚连接第十一电阻，而第十一电阻的另一端连接到AWR1642的AR_QSPI_D3引脚，同时此端还连接第六电阻，然后第六电阻的另一端连接到AWR1642的+3.3VD引脚。

上述具体实施例中，如图6所示，毫米波雷达芯片使用TI公司的AWR1642，其具有四个接收天线，两个接收天线；AWR1642芯片的B11引脚即为AR_1V8引脚，其G15引脚即为PMIC_1V2引脚，其G5、H5、J5引脚即为AR_1P3_RF1引脚，其F15、R10引脚即为+3.3VD引脚，其P11引脚即为AR_QSPI_CS引脚，其R12引脚即为AR_QSPI_SCLK引脚，其R13引脚即为AR_QSPI_D0引脚，其N12引脚即为AR_QSPI_D1引脚，其R14引脚即为AR_QSPI_D2引脚，其P12引脚即为AR_QSPI_D3引脚，其E5、H11、G6、E6、E8、E10、K8、K7、K9引脚接地。

上述具体实施例中，如图7所示，一分八功率分配器模块1与一分八功率分配器模块2使用基片集成波导SIW技术，SIW是一种新的微波传输线形式，其利用金属通孔在介质基片上实现波导的场传播模式，其基本思想是在介质基片上用相邻很近的金属化通孔形成电壁，与上下金属面一起构成类似于普通矩形波导的结构，具有集成度高、具有可逆性等优点；所述SIW模块使用半模基片集成波导，其输出端的形状为缓面变化的抛物线结构，这种形状有利于减少微带和SIW过渡时的损耗；所述的半模基片集成波导具有1个信号输入端和8个输出端，其中输入端分别连接上述雷达芯片AWR1642的功率输出，输出端负责输出经过功率分配后的信号；所述的SIW结构具有不可避免的损耗，经过测试，该结构工作在77GHz频段处具有3dB的插入损耗；所述的一分八功率分配器模块1与一分八功率分配器模块2的结构完全相同；所述的结构使用的材料是Rogers3003，介电常数3.0，介质板厚度h＝0.5mm，插入损耗为3dB，半模基片集成波导的波导波长为λg＝2.68mm，其上第一金属圆孔的直径c1均为0.3mm，第二金属圆孔的直径c2＝0.8mm，此结构的宽为B4＝1.2mm,此结构的长度为M＝6.8mm，此结构每两个输入端中心之间的距离为Bn＝2.7mm。此结构的其他各部分尺寸如下表所示。

变量名	值(mm)	变量名	值(mm)
				B1	1.56	K1	3.5
B2	2.1	K2	4.69
				B4	1.2	B3	2.7
V	1.56	T	0.8
				Bn	2.7	M	6.8
c1	0.3	c2	0.8

上述具体实施例中，如图8所示，功率放大器模块由功率放大器芯片与二十个电容组成，其具有单一输出和单一输入，其2号、3号引脚接入3.5V电压，其11、12、13、14、15、16号管脚也接入3.5V电压，并在各个引脚处接入多种电容以使放大器正常工作，具体连接方式如图8所示。功率放大器的输入端连接一分八均分功率分配器的输出端，功率放大器的输出端连接功率合成输出SIW模块，本发明共用到16个相同结构的功率放大器模块。

上述具体实施例中，如图9所示，功率合成输出模块使用基片集成波导SIW技术，SIW是一种新的微波传输线形式，其利用金属通孔在介质基片上实现波导的场传播模式，其基本思想是在介质基片上用相邻很近的金属化通孔形成电壁，与上下金属面一起构成类似于普通矩形波导的结构，具有尺寸小、损耗低、集成度高等优点；所述SIW模块使用半模基片集成波导，输出端的形状为缓慢变化的抛物线结构，这种形状有利于减少微带和SIW过渡时的损耗；所述的半模基片集成波导具有十六个信号输入端和一个输出端，其中十六个输入端分别与上述十六个功率放大器ADPA7001的输出端相连，一个输出端负责输出合成的功率信号；此结构使用的材料是Rogers3003，介电常数3.0，介质板厚度h＝0.5mm，插入损耗为3.5dB。所述半模基片集成波导的波导波长为λg＝2.68mm，其上第一金属圆孔的直径d1均为0.3mm，第二金属圆孔的直径d2＝0.8mm，此结构的宽为W3＝1.2mm,此结构的长度为N＝13.4mm，此结构每两个输入端中心之间的距离为wp＝2.7mm。此结构的其他各部分尺寸如下表所示。

变量名	值(mm)	变量名	值(mm)
				W1	1.56	L1	3.5
W2	2.1	L2	4.69
				W3	1.2	L3	2.7
W4	1.56	s	0.8
				wp	2.7	N	13.4
d1	0.3	d2	0.8

Claims (3)

1.一种毫米波射频收发电路，包括电源管理模块、低压差线性稳压器模块、FLASH功能模块、雷达芯片模块、功率分配器模块、功率放大器模块、功率合成输出模块，其特征在于本发明所述电路将雷达芯片的输出信号分成十六路信号，之后再对这十六路信号逐个进行功率放大，最后十六路信号合成一路输出功率大于22dBm的信号。

2.根据权利1所述的一种毫米波射频收发电路，其特征在于所述的一分八功率分配器1与一分八功率分配器2模块的半模基片集成波导SIW结构的输出端形状为微带线缓慢变化的抛物线状，使用的材料是Rogers3003，介电常数3.0，介质板厚度h＝0.5mm，波导波长为λg＝2.68mm，其具有一个信号输入端和八个信号输出端。

3.根据权利1所述的一种毫米波射频收发电路，其特征在于所述的功率合成输出模块的半模基片集成波导SIW结构的输出端形状为微带线缓面变化的抛物线状，使用的材料是Rogers3003，介电常数3.0，介质板厚度h＝0.5mm，波导波长为λg＝2.68mm，其具有十六个信号输入端，一个信号输出端。

Images