【Distance2Go试用04】Distance2Go硬件方案详解 -- 模拟前端

懒兔子

AFE Subsystem

本文将Distance2Go的核心BGT24MTR11到MCU的ADC之前归为AFE（Analog Front End）。可以看出AFE又分成三部分：BGT24MTR11，RF前端电路，IF放大电路。

简化硬件框图如下：

BGT24MTR11作为集成24GHz收发器MMIC具有如下特性：

·       集成低相位噪声VCO

·       可选预分频时钟输出：频率为1.5GHz和23kHz

·       集成功率和温度传感器

·       Gilbert零差正交接收器

·       单端RF和LO（本振）接口

·       低噪声系数NFSSB：12 dB

·       高转换增益：26 dB

·       较高的1 dB 输入压缩点：-12 dBm

·       单3.3 V电源供电

·       低功耗：500 mW

·       0.18um SiGe:C 工艺，200GHz截止频率

·       VQFN32无铅封装

芯片的控制接口即为SPI。时钟部分考虑到简化硬件设计和PLL的输入接收能力，对环路反馈时钟进行了分频，Q1为16分频，Q2在Q1基础上再做165536分频，即输出1048576分频反馈时钟。fq1=fvco/16，即当VCO输出24GHz时，Q1的频率为1.5GHz，Q2的频率约为23KHz。Q1用于反馈给PLL，Q2用于反馈给MCU。

由于集成度高，该期间的电路部分非常简洁。芯片的差分TX/TXX输出经过Wilkinson功分器/合路器，转成单端信号，经过48GHz低通滤波器（二阶Harmonic滤波器）和隔直后送至TX天线。RX天线接收的RF回波经过隔直后直接送入单端RFIN引脚。

下图是PCB正面的RF前端电路。

BGT24MTR11采用独立的LDO供电，电源网络名为VCC_3V3_BGT，并通过一个P-MOS控制电源开关。默认情况P-MOS的栅极下拉电阻控制其导通，这部分电源保持上电状态。BGT24MTR11提供了TXOFF引脚来关闭TX Transmitter来降低功耗，如果需要进一步降功耗则可以控制该MOS管给整个芯片断电。

BGT24MTR11提供同相（IF）和正交相位（IFQ）两路差分中频信号输出。这两路差分信号各经过独立的两级放大电路放大后送至ADC。这里以IF通道的放大电路为例，第一级放大电路采用TI INA827A差分放大器，提供34dB增益，其3dB带宽为2KHz-200KHz，输出为IFI_LG（Intermediate Frequency InphaseLow Gain）。

第二级放大电路采用TIOPA2376运放，经过一级运放和二级运放后增益为64dB，3dB带宽为14KHz-120KHz。输出为IFI_HG（Intermediate Frequency Inphase High Gain）。

IFQ部分的放大器参数与IF相同故不再赘述。经过放大后的四组信号IFI_LG 、IFI_HG、IFQ_LG 、IFQ_HG连接到了MCU的四个ADC通道上。采用两级放大的目的是为了能够通过MCU的简单配置来适应不同应用场景的需求，包括不同RCS（Radar CrossSection，雷达截面积）和距离。

只采用第一级放大对10m^2 RCS目标的测量量程可达25m，对1m^2 RCS 目标的量程只能到12m，并且严重受环境影响。这对于近距离应用来说可以节省一定成本。

同时由于TX和RX通道之间固有的耦合干扰，FMCW雷达IF接收信号总会有一定的低频分量，如果通过放大电路会将实际的有用信号淹没。因此这里采用了带通滤波，其增益和滤波特性如下。

二级运放将一级运放的输出信号进一步放大，从而提供更高的增益。这样有助于在25m以上的长距离场景中检测RCS较小的目标。

同时为了进一步降低TX干扰带来的低频分量，第二级放大电路将带通滤波的3dB下限提高到14KHz，其增益和带通滤波特性如下图红色曲线所示。

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