CN110927705A - 一种77GHz毫米波电路的设计 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种77GHz毫米波电路，此电路包括雷达传感器模块、电源模块、天线阵、时钟模块、时钟信号驱动器、数字信号驱动器、威尔金森功分器和高速接口；其中每个雷达传感器具有3路发射通道和4路接收通道，通过级联八个雷达传感器增加发射和接收通道，设计一种微带天线阵来发射和接收电磁波，并且设计了低纹波电源，有效降低了系统噪声，保证了系统接收信号的动态范围。

Description

一种77GHz毫米波电路的设计

技术领域

本发明涉及一种77GHz毫米波电路，属于通信和雷达技术领域。

背景技术

由于世界各国的汽车安全标准、汽车电子化水平不断提高以及人们对驾驶安全需求不断增长，77GHz毫米波电路广泛用于汽车防碰撞系统和自动驾驶领域。毫米波具有的特点是频率高、波长短，测量精度高；毫米波雷达传感器因为能够全天候工作，不受光线、雾霾、沙尘暴等恶劣天气的影响；毫米波雷达同超声波雷达相比，毫米波雷达具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点；与红外、激光、摄像头等光学传感器相比，毫米波雷达穿透雾、烟、灰尘的能力强。本发明设计一种77GHz毫米波雷达系统，可以用于汽车和安防领域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是设计一种77GHz毫米波电路。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种77GHz毫米波电路，包括雷达传感器模块、电源模块、天线阵、时钟模块、时钟信号驱动器、数字信号驱动器、威尔金森功分器和高速接口。雷达传感器集成发射通道和接收通道，可以实现发射和接收电磁波；时钟模块为雷达传感器提供基准时钟；电源模块为雷达传感器提供低纹波直流电源；天线阵可以发射77GHz到81GHz的电磁波信号和接收回波信号；时钟信号驱动器实现八个雷达传感器时钟信号保持同步；数字信号驱动器实现八个雷达传感器数字信号保持同步；威尔金森功分器模块实现八个雷达传感器的20GHz本地振荡器信号同步；高速接口实现外部数字信号处理器与八个雷达传感器之间的数据通信。

所述的雷达传感器是TI的AWR1243，其内部集成了功率放大器、压控振荡器、混频器、低噪声放大器、滤波器和模数转换器，雷达传感器的发射端口可以发射77GHz到81GHz的电磁波信号，接收端口可以接收天线传输过来的信号，接收端口接收到的信号经过雷达传感器内部处理可以直接输出I/Q两路信号。

所述的电源模块由电源管理芯片LP87524和线性稳压器TPA7A8101构成。LP87524可以输出四路直流电压，输出电压分别为1.8V(1.5A)、1.2V(1.5A)、1V(4A)和1V(2.5A)，每路输出直流电压经过LC低通滤波器和去纹波电容，可以实现低纹波直流电压；线性稳压器TPA7A8101输出3.3V直流电压，在线性稳压器输出端接去纹波电容可以实现低纹波直流电压。

所述的时钟模块为八个雷达传感器提供40MHz基准时钟，8个雷达传感器需要实现时钟信号的同步，由主雷达传感器输出时钟信号，输出时钟信号经过一路到八路时钟驱动器得到八路时钟信号，其中一路时钟信号输入到主雷达传感器，另外七路时钟信号输入到7个从雷达传感器，八路时钟信号线需要传输线等长处理来保证八路时钟信号的同步，时钟驱动器是TI公司生产的CDC341。

所述的数字信号驱动器实现八个雷达传感器数字信号保持同步，由主雷达传感器输出数字信号，数字信号通过TI公司的LMK00101驱动器得到八路数字信号，其中一路数字信号输入到主雷达传感器，另外七路数字信号分别输入到七个从雷达传感器，并且八路数字信号线需要传输线等长处理来保证八路数字信号的同步。

所述的天线阵是完成电磁波的发射和回波信号的接收，发射天线和接收天线都是直线阵列形式，通过组成阵列的形式来减小E面和H面角度，阵列形式可以增大天线的增益；设计天线时应该把天线阵列的输入端口阻抗控制在50欧姆左右，以实现发射通道传输到天线阵列的功率最大。

所述的威尔金森微带功分器模块是实现八个雷达传感器20GHz本地振荡器信号同步，由主雷达传感器输出20GHz本地振荡器信号，输出的20GHz本地振荡器信号经过一路到八路威尔金森微带功分器得到八路20GHz本地振荡器信号，其中一路20GHz本地振荡器信号输入到主雷达传感器，另外七路20GHz本地振荡器信号输入到7个从雷达传感器，八路20GHz本地振荡器信号线需要传输线等长处理来保证八路20GHz本地振荡器信号的同步。

本发明的有益效果说明

(1)由于八个雷达传感器需要同时工作，本发明用驱动器解决了时钟信号和数字信号同步问题，用威尔金森微带功分器实现了20GHz本地振荡器信号同步；(2)本发明中的主要结构是八个雷达传感器进行级联，并且设计一种微带天线阵列来发射和接收电磁波信号。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是本发明的一分八威尔金森功分器。

图3是本发明的每一路接收和发射天线阵列图。

图4是本发明的电源模块框图。

具体实施方式

在图1中是77GHz毫米波电路设计的总体框图，包括八个毫米波传感器芯片、时钟驱动电路、数字信号驱动电路、威尔金森微带功分器电路、时钟模块和高速接口，外部处理器通过高速接口来控制八个雷达传感器,UART是将雷达配置文件下载到雷达传感器，SPI是对雷达传感器的控制，CSI2是将雷达传感器处理得到的I/Q两路信号传送到外部处理器。

主雷达传感器1外部需接40MHz晶振，然后通过主雷达传感器1生成40MHz基准时钟信号，主雷达传感器1的时钟输出端口输出时钟信号，时钟信号通过TI公司生产的CDC341时钟驱动器得到八路时钟信号(a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,a8)，八路时钟信号线需要50欧姆等长微带线处理来保证八路时钟信号同步，其中a1时钟信号输入到主雷达传感器1，a2、a3、a4、a5、a6、a7和a8时钟信号分别输入到七个从雷达传感器；主雷达传感器1本振信号端口输出20GHz本地振荡器信号，然后通过一路到八路威尔金森微带功分器得到八路20GHz本地振荡器信号(b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7,b8)，一路到八路威尔金森微带功分器的输入和输出端口阻抗值都需要匹配到50欧姆，威尔金森微带功分器八路输出振荡器信号线需要50欧姆等长微带线处理来保证八路振荡器信号同步，其中b1路20GHz本地振荡器信号输入到主雷达传感器1，b2、b3、b4、b5、b6、b7和b8七路20GHz本地振荡器信号分别输入到七个从雷达传感器；主雷达传感器1的数字信号端口输出数字信号，数字信号通过TI公司生产的LMK00101信号驱动器得到八路数字信号(c1,c2,c3,c4,c5,c6,c7,c8)，八路数字信号线需要50欧姆等长微带线处理来保证八路数字信号同步，其中c1数字信号输入到主雷达传感器1，c2、c3、c4、c5、c6、c7和c8数字信号分别输入到七个从雷达传感器；每一个雷达传感器有4个接收通道和3个发射通道来连接天线，主雷达传感器外部需接晶振来产生时钟信号，八个雷达传感器需要8个Flash来存储雷达传感器运行代码，八个雷达传感器工作时需要四个相同的供电模块来提供低纹波直流电源，数字接口UART、SPI和CSI2连接高速接口以实现与外部处理器的数据交换和控制。

上述具体实施例中，如图2为一分八威尔金森微带线功分器仿真原理图，Term1是一分八威尔金森微带线功分器的50欧姆输入端口，Term2、Term3、Term4、Term5、Term6、Term7、Term8、Term9是一分八威尔金森微带线功分器的八个50欧姆输出端口，输入端口的反射系数在20GHz处小于-28dB，输出端口的反射系数在20GHz处小于-32dB，输出端口之间的隔离度在20GHz处都小于-29dB。隔离电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7都为100欧姆；微带线TL1、TL2、TL3、TL4、TL5、TL6、TL7、TL8、TL9、TL10、TL11、TL12、TL13、TL14的参数相同，宽度W为0.12mm，长度L为0.74mm；微带线Tee1、Tee2、Tee3、Tee4、Tee5、Tee6、Tee7、Tee8、Tee9、Tee10、Tee11、Tee12、Tee13、Tee14、Tee15、Tee16、Tee17、Tee18、Tee19、Tee20、Tee21的参数相同，宽度W1为0.12mm，宽度W2为0.12mm，宽度W3为0.22mm；微带线Curve1、Curve2、Curve3、Curve4、Curve5、Curve6、Curve7、Curve8、Curve9、Curve10、Curve11、Curve12、Curve13、Curve14的参数相同，宽度为0.12mm，半径为0.416mm，角度为180度。

上述具体实施例中，如图3为天线阵列，八个雷达传感器总共有32路接收通道和24路发射通道，雷达传感器的每一路发射通道和接收通道都连接一个如图3所示的天线阵列，将24路发射天线阵排成一排，将32路接收天线阵排成一排，每一个天线阵列的E面3dB带宽为12.3度，H面3dB带宽为20.1度，天线的增益为19.8dB。阵列天线辐射单元的宽度W1为1.5mm，辐射单元的长度L1为0.96mm，辐射单元之间的馈线长度L2为0.94mm，馈线宽度W2为0.1mm，上下阵元之间的距离D是1.9mm，为了改善阵列贴片天线的S参数，阵列天线的最后一个辐射贴片长度为0.86mm，天线输入端是50欧姆的微带线，其宽度为0.18mm，长度为0.9mm。

上述具体实施例中，如图4所示为雷达传感器供电模块，八个雷达传感器需要如图4所示的4个同样的模块来提供低纹波的直流电源。首先5V输入到电源管理芯片LP87524和线性稳压器TPA7A8101，电源管理芯片LP87524可以输出4路直流电压，分别是1.8V(1.5A)、1.2V(1.5A)、1V(4A)和1V(2.5A)，LP87524输出的1.8V直流电源同时向雷达传感器1和雷达传感器2供电，LP87524输出的1.2V直流电源同时向雷达传感器1和雷达传感器2供电，LP87524输出的两路1V直流电源分别向雷达传感器1和雷达传感器2供电，线性稳压器TPA7A8101输出的3.3V直流电源同时向雷达传感器1和雷达传感器2供电。LP87524输出的四路直流电压端口分别都连接一个LC低通滤波器和两个去耦电容C1和C2，六个LC低通滤波器的参数都相同，电感L的值是100nH，电容C的值是22uF,则LC低通滤波器的截止频率是270KHz，去耦电容C1的值是10uF,去耦电容C2的值是1uF，通过LC低通滤波器和去耦电容的共同作用，可以实现1.8V直流电压在1MHz处的纹波电压有效值是6uV，1V直流电压在1MHz处的纹波电压有效值是2uV，1.2V直流电压在1MHz处的纹波电压有效值是4uV，线性稳压器TPA7A8101输出3.3V直流电压，3.3V直流电压在100KHz处的纹波电压为23.5uV。

Claims (8)

1.一种77GHz毫米波电路，其特征在于:包括雷达传感器模块、电源模块、天线阵、时钟模块、时钟信号驱动器、数字信号驱动器、威尔金森功分器和高速接口；其中每个雷达传感器集成3路发射通道和4路接收通道，3路发射通道连接3个发射天线阵，4路接收通道连接4个接收天线阵；时钟模块为雷达传感器提供基准时钟；电源模块为雷达传感器提供低纹波直流电源；天线阵可以发射77GHz到81GHz的电磁波信号和接收回波信号；时钟信号驱动器实现八个雷达传感器时钟信号保持同步；数字信号驱动器实现八个雷达传感器数字信号保持同步；威尔金森功分器实现八个雷达传感器的振荡器信号保持同步；高速接口实现外部数字信号处理器与八个雷达传感器之间的数据通信。

2.根据权利要求1所述的一种77GHz毫米波雷达，其特征在于，其工作步骤为：

2.1处理器通过高速接口控制8个雷达传感器同时工作，让8个雷达传感器的24路发射通道同时发射电磁波；

2.2 32路接收天线同时接收回波信号，回波信号经过雷达传感器内部集成的低噪声放大器、混频器、滤波器和模数转换器处理直接得到I/Q两路输出信号，I/Q两路信号经过高速接口传输到外部处理器。

3.根据权利要求1所述的一种77GHz毫米波雷达，其特征在于，8个雷达传感器需要实现时钟信号的同步，为了解决八个雷达传感器时钟信号同步问题，本设计采用一路到八路时钟驱动器和时钟信号传输线等长处理以解决时钟信号同步。

4.根据权利要求1所述的一种77GHz毫米波雷达，其特征在于，多个雷达传感器需要实现20GHz本地振荡器信号同步，主雷达传感器输出的20GHz本地振荡器信号通过一路到八路微带功分器得到八路20GHz的振荡信号，并且八路20GHz的振荡信号线需要传输线等长处理来保证八路20GHz的振荡器信号同步。

5.根据权利要求1所述的一种77GHz毫米波雷达，其特征在于，多个雷达传感器需要实现数字信号同步，由主雷达传感器输出数字信号，数字信号经过一路到八路驱动器得到八路数字信号，并且八路数字信号线需要传输线等长处理来保证八路数字信号的同步。

6.根据权利要求1所述的一种77GHz毫米波雷达，其特征在于，雷达传感器正常工作需要低纹波直流电源，本系统采用电源管理芯片、低压差线性稳压器、LC低通滤波器和去纹波电容共同作用实现低纹波的直流电源。

7.根据权利要求1所述的一种77GHz毫米波雷达，其特征在于，发射天线和接收天线都是直线阵列形式，通过组成阵列的形式来减小E面和H面角度，阵列形式可以增大天线的增益；设计天线时应该把天线阵列的输入端口阻抗控制在50欧姆左右，以实现发射通道传输到天线阵列的功率最大。

8.根据权利要求1所述的一种77GHz毫米波雷达，其特征在于，雷达传感器不具有数据处理功能，需要分别把雷达传感器输出的I/Q两路信号和雷达传感器的控制信号通过高速接口与外部处理器进行连接，高速连接器采用美国泰科220管脚的3-6318490-6。

Images