强化射频与MCU性能　车用77GHz雷达性价比攀升

　　过往雷达（RADAR）系统大多应用在航空设备，但业界也发现雷达在汽车应用中极具发展潜力，因而纷纷投入设计。特别是以毫米波段中77GHz频率实现的方案最受青睐，因该频段可最大限度吸收水分子，已获业界证明适合用于开发汽车雷达元件和短距离雷达（相对航空航天而言）。

　　尽管大多数短距离雷达仍在24GHz频段上运行，但长期来看，该频段无法保证全球通用性，77GHz雷达将有一定的发挥空间。目前，77GHz雷达感应技术在先进驾驶辅助系统（ADAS）中已占有一席之地。为持续提升ADAS系统品质并优化设计成本，应用设计师须了解发送和接收雷达波所需的77GHz射频 （RF）技术、具备基频信号处理功能的雷达感应器，以及雷达系统功能安全等设计方式。

　　提升雷达RF元件性价比　硅锗碳BiCMOS制程崛起

　　毫米波雷达系统相当依赖III-V半导体元件，现大多汽车雷达系统均使用砷化镓（GaAs）技术实现RF前端电路；然而，用于制造手机元件的硅锗碳 （SiGe:C）技术，亦能以极低成本打造媲美砷化镓的RF功能，让消费者以合理价格安装汽车ADAS。此外，透过快速、高性能的互补式金属氧化物半导体 （CMOS）制程，元件性能更可大幅超越以90纳米（nm）制程产出的芯片方案。

　　表1解析各种雷达元件制程技术的性能优势。虽然GaAs具有良好的基板隔离效益，每个芯片可实现较高的电路密度，然而，可达成的逻辑密度（用于控制电路）却非常低；再者，与主流芯片技术实现的高效率相比，GaAs晶圆材料仍较为昂贵。

　　事实上，与一般硅晶片相比，III-V材料更加难以处理，III-V晶圆或基板的大小通常不足硅晶圆的一半，至于进入处理设施的砷化镓晶片成本也会高出十到二十倍，但在经过制造、封装和测试后成本差异将缩小。

　　与此同时，属于高级技术节点的CMOS制程可提供非常好的逻辑密度和成本，但其针对高效能运算而设计的低击穿电压，却难以符合汽车业者要求可靠且须支援中长距离运行所需的功率等级。

　　至于硅锗碳技术选项对雷达元件而言并没有严重缺点，使用经毫米波製程模组增强的传统BiCMOS製程后，即能有效克服上述所有问题。该制程模组通过硅锗碳材料提供双载子电晶体（Heterojunction Bipolar Transistor， HBT）结构，达到更高的电子移动性，以转化为更快的运行速度。

　　BiCMOS制程提供足够的高效率，可为锁相回路（PLL）和串列周边界面（SPI）等数字控制界面添加经济高效的控制结构。击穿和功率增益资料以高于13dBm的功率等级支援发射电路，同时提供足够的隔离，以便在一个芯片上整合多个接收器通道。

　　采用FMCW机制　雷达系统设计大幅简化

　　在汽车雷达信号调变方面，大多数方案采调频连续波（FMCW）机制，进而简化系统复杂度并提高效能。使用连续载波信号，其频率将根据预定义调度表变化，例如时间斜坡等，该频率变化发生的范围定义雷达系统的频宽。对于普通77GHz雷达来说，有一个围绕着76.5GHz分配的1GHz时隙，以及一个围绕着 79GHz的4GHz时隙。通常，77GHz频率范围对应长距离雷达感应器；79GHz频率范围则与短距离雷达系统有关。

　　雷达发射器通常搭载一个可通过PLL连续调谐的本地振荡器（LO），由此产生出频率扫描速率。图1显示高度整合的雷达感应器架构图，在发射器芯片上，压控振荡器（VCO）生成传输77GHz频率的信号，并由功率放大器（PA）放大后再送至传输天线。VCO的调谐电压则由发射器芯片中的集成PLL电路生成，因此，高频率扫描速率对实现高目标速度精度非常重要。

　　图1 雷达感应器设计架构图

　　为降低系统成本，RF前端芯片组以半发射频率（38GHz）支援LO分布。表2所示为一些重要的接收器（Rx）参数。当出现寄生信号耦合时，大于40dB 的高IF-IF隔离对于使用多通道雷达架构极为重要。另外，表3所示为关键发射器TxPLL参数，结合高动态控制范围的输出功率后，最多可用于四个输出通道（但一次只有一个通道启动）。最高7.8MHz/100ns的升降速度，可实现高解析度雷达系统所需极低的线性调频脉衝倍数。

　　已接收信号的解调通过混合已接收信号和本地振荡器的频率在零差式接收器中执行。由此产生的IF频率将包含与不同距离的反射物体对应的频率分量。接近基频的所有RF下行转换都在一个接收器芯片中执行，该芯片从发射器中接收本地振荡器频率。

　　为以更低频率探索TxPLL功能，须采用一个包含核心TxPLL射频板卡和辅助板卡（提供电源电压和SPI介面）的评估包，以9.5GHz交付输出（Tx 输出讯号除以8）。另外还要提供MCU和Windows XP软件，应用图形化使用者界面（GUI）控制TxPLL芯片。