探索BGT60ATR24C ES Shield：XENSIV? 60 GHz雷達(dá)系統(tǒng)平臺(tái)的奧秘

在當(dāng)今的電子技術(shù)領(lǐng)域，雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展日新月異。英飛凌的XENSIV? 60 GHz雷達(dá)系統(tǒng)平臺(tái)就是其中的佼佼者，而BGT60ATR24C ES shield作為該平臺(tái)的重要組成部分，更是備受關(guān)注。今天，我們就來深入探討一下這個(gè)BGT60ATR24C ES shield。

文件下載：Infineon Technologies SHIELD_60ATR24ES_01演示板.pdf

一、平臺(tái)簡介

1.1 60 GHz雷達(dá)系統(tǒng)平臺(tái)

英飛凌的60 GHz雷達(dá)系統(tǒng)平臺(tái)是其60 GHz雷達(dá)解決方案的演示平臺(tái)，它由Radar Baseboard MCU7微控制器板和雷達(dá)傳感器板（如BGT60ATR24C shield）組成。BGT60ATR24C shield需插入Radar Baseboard MCU7底部較長的連接器中，具體連接方式如圖1所示。關(guān)于Radar Baseboard MCU7的詳細(xì)信息，可參考相應(yīng)的應(yīng)用筆記[1]。

1.2 關(guān)鍵特性

BGT60ATR24C shield旨在展示BGT60ATR24C的強(qiáng)大功能。它具有兩個(gè)發(fā)射通道和四個(gè)接收通道，為客戶在天線配置方面提供了極大的設(shè)計(jì)靈活性。該shield不僅便于快速原型設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成，還能用于產(chǎn)品特性的初步評(píng)估。開發(fā)者可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景選擇合適的平臺(tái)。其應(yīng)用范圍十分廣泛，包括存在檢測、遺留兒童檢測（LBC）、后排乘客提醒（ROA）、接近感應(yīng)、人員計(jì)數(shù)/跟蹤、手勢識(shí)別、生命體征監(jiān)測等。在某些情況下，存在檢測僅需傳感器消耗1 mW的功率。在汽車領(lǐng)域，它可用于ROA、LBC和儀表盤控制；在其他領(lǐng)域，如智能音箱、家庭/建筑自動(dòng)化以及安全防護(hù)等方面也有應(yīng)用價(jià)值。

二、系統(tǒng)規(guī)格

2.1 典型功耗

可以看到，不同工作狀態(tài)下的功耗差異較大，這對(duì)于我們?cè)谠O(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)合理規(guī)劃電源供應(yīng)至關(guān)重要。大家在實(shí)際應(yīng)用中，是否會(huì)根據(jù)這些功耗數(shù)據(jù)來優(yōu)化電源管理呢？

三、硬件描述

3.1 概述

BGT60ATR24C shield的尺寸為26 mm x 16 mm，傳感器安裝在PCB頂部，底部則是貼片天線。目前的設(shè)計(jì)采用了兩層羅杰斯層壓板（頂層為RO3003，底層為RO4350B）。為了給MCU板提供正確的電平轉(zhuǎn)換電壓，$1.8 V{sensor}$電源線與$V{digital}$相連，具體可參考應(yīng)用筆記AN599的“電平轉(zhuǎn)換器”部分[1]。當(dāng)shield插入Radar Baseboard MCU7時(shí)，傳感器的電源最初是關(guān)閉的，只有EEPROM通電。微控制器會(huì)讀取EEPROM的內(nèi)容，以確定插入傳感器接口的是哪種傳感器。不過，使用BGT60ATR24C時(shí)并非必須使用這個(gè)EEPROM，因?yàn)樗幸粋€(gè)可以通過SPI直接讀取的內(nèi)部芯片ID。EEPROM只是為了確保與其他沒有芯片ID功能的英飛凌芯片兼容。

由于雷達(dá)傳感器對(duì)電源域的噪聲和串?dāng)_非常敏感，因此不同的電源域必須進(jìn)行去耦。在BGT60ATR24C shield上，通過在每個(gè)電源域（以及振蕩器電源）上使用π形低通濾波器來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。與雷達(dá)傳感器的通信主要通過串行外設(shè)接口（SPI）總線進(jìn)行，此外還需要兩條數(shù)字線用于操作。一條線在需要獲取新數(shù)據(jù)時(shí)向微控制器發(fā)出信號(hào)，另一條則允許微控制器對(duì)傳感器進(jìn)行硬件復(fù)位。板上還安裝了一個(gè)LED指示燈，用于指示傳感器的激活或關(guān)閉狀態(tài)。

3.2 傳感器供電

雷達(dá)傳感器對(duì)電源電壓波動(dòng)和不同電源域之間的串?dāng)_非常敏感，因此低噪聲電源和適當(dāng)去耦的電源軌至關(guān)重要。Radar Baseboard MCU7提供了低噪聲電源，具體細(xì)節(jié)可參考應(yīng)用筆記AN599的第2.2節(jié)。圖3展示了用于去耦不同電源軌的π形低通濾波器的原理圖。鐵氧體磁珠用于在MHz范圍內(nèi)提供高電壓波動(dòng)衰減，例如SPI（最高運(yùn)行頻率為50 MHz）會(huì)在數(shù)字域中引起電壓波動(dòng)，如果沒有去耦濾波器，這些波動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)移到模擬域。選擇鐵氧體磁珠是因?yàn)樗鼈兡軌蛱幚韨鞲衅鞯淖畲箅娏鳎s200 mA），同時(shí)具有低直流電阻（低于0.25 Ω）和高電感。高電感值會(huì)降低低通濾波器的截止頻率，從而在較低頻率下提供更好的去耦效果。大家在設(shè)計(jì)電源去耦電路時(shí)，是否也會(huì)優(yōu)先考慮鐵氧體磁珠呢？

3.3 振蕩器

英飛凌的XENSIV? BGT60ATR24C雷達(dá)傳感器需要一個(gè)低相位抖動(dòng)和低相位噪聲的外部80 MHz振蕩器來提供穩(wěn)定的系統(tǒng)參考時(shí)鐘。因此，BGT60ATR24C shield采用了NDK NZ2520SHA石英振蕩器，如圖4所示。該振蕩器源將輸出穩(wěn)定的1.8 V數(shù)字信號(hào)。選擇振蕩器時(shí)，最重要的參數(shù)是相位抖動(dòng)和相位噪聲，其他振蕩器應(yīng)具有與NDK NZ2520SHA相似的相位抖動(dòng)和相位噪聲。R6系列電阻用于降低傳感器處的RF電平，使其處于BGT60ATR24C的最佳范圍內(nèi)。如果重新設(shè)計(jì)電路板，包含不同的信號(hào)源或采用了截然不同的布局，則可能需要調(diào)整R1（150 Ω）的值。較高的電阻會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)傳感器處的信號(hào)較低，如果信號(hào)電平過低，傳感器的相位噪聲會(huì)變差；而較低的電阻會(huì)提高傳感器處的信號(hào)電平，從而在雷達(dá)數(shù)據(jù)的距離 - 多普勒?qǐng)D中，近距離處會(huì)出現(xiàn)峰值（或虛假目標(biāo)）。因此，需要測量相位噪聲和雷達(dá)數(shù)據(jù)，并通過范圍 - 多普勒?qǐng)D來優(yōu)化布局的串聯(lián)電阻。大家在實(shí)際應(yīng)用中，有沒有遇到過因?yàn)檎袷幤鲄?shù)不合適而導(dǎo)致的問題呢？

3.4 連接器

BGT60ATR24C shield是英飛凌XENSIV? 60 GHz雷達(dá)系統(tǒng)平臺(tái)的擴(kuò)展板（不包含微控制器），必須連接到微控制器板，如Radar Baseboard MCU7。其主要連接器接口包含兩個(gè)Hirose DF40C - 20DP - 0.4V連接器，Radar Baseboard MCU7在其底部包含相應(yīng)的DF40HC(3.5) - 20DS - 0.4V(51)連接器。圖5描述了BGT60ATR24C shield上Hirose連接器的引腳排列和焊盤布局。為了向主機(jī)板提供正確的數(shù)字信號(hào)電平信息，$V_{digital}$線與1.8 V電源短接。RF屏蔽和MCU7板必須正確對(duì)齊。由于Hirose連接器在頻繁插拔時(shí)容易磨損，建議不要從短邊抬起電路板，而是從長邊拉動(dòng)，使短邊傾斜，這樣可以顯著延長連接器的使用壽命。大家在使用連接器時(shí)，是否也會(huì)注意這些細(xì)節(jié)來延長其使用壽命呢？

3.5 EEPROM

BGT60ATR24C shield包含一個(gè)EEPROM存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)電路板標(biāo)識(shí)符等數(shù)據(jù)，其連接方式如圖6所示。雖然BGT60ATR24C本身有內(nèi)部芯片ID可通過SPI直接讀取，但EEPROM的存在是為了確保與其他沒有芯片ID功能的英飛凌芯片兼容。

3.6 層堆疊

由于天線集成在PCB上，因此需要仔細(xì)選擇層堆疊。為了實(shí)現(xiàn)低損耗和增強(qiáng)性能，選擇了圖7所示的層堆疊。除了L1_Top和L2_GND之間的盲孔是激光鉆孔外，圖7中的所有過孔都是機(jī)械鉆孔。這種層堆疊設(shè)計(jì)能夠有效提高天線的性能，大家在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，是否也會(huì)根據(jù)天線的要求來精心選擇層堆疊呢？

3.7 金屬層概述

圖8至圖12展示了PCB的不同金屬層。第一層包含SMD組件、BGT60ATR24C芯片組和匹配網(wǎng)絡(luò)；第二層是第一層上RF結(jié)構(gòu)的接地平面；第三層包含信號(hào)線和電源平面，提供BGT60ATR24C和其他組件所需的電壓域；第四層是第五層上天線的接地平面。不同金屬層的合理布局對(duì)于減少信號(hào)干擾和提高系統(tǒng)性能至關(guān)重要。大家在進(jìn)行PCB布局時(shí)，是否會(huì)特別關(guān)注金屬層的安排呢？

四、布局概述

4.1 組件側(cè)

第一層是組件側(cè)，包含對(duì)shield的RF性能至關(guān)重要的元素，如BGT60ATR24C雷達(dá)芯片、TX匹配結(jié)構(gòu)、RX匹配結(jié)構(gòu)以及通向天線側(cè)的饋通線。匹配結(jié)構(gòu)將BGT60ATR24C芯片封裝側(cè)的阻抗轉(zhuǎn)換為50 Ω，通向饋通線的傳輸線用于校正通道之間的相位差，確保所有RX通道和TX通道在天線側(cè)同相。為了使這些RF結(jié)構(gòu)正常工作，板與其他物體之間需要一定的距離，模擬顯示該距離應(yīng)大于1.8 mm，這也是shield應(yīng)插入MCU7板較高連接器一側(cè)的原因。匹配結(jié)構(gòu)和傳輸線之間的銅區(qū)域以及旁邊的過孔有助于增加單個(gè)RX和TX通道之間的隔離。為了避免影響RF性能，電路板所有與RF相關(guān)的區(qū)域都去除了阻焊層。大家在設(shè)計(jì)組件側(cè)布局時(shí)，是否也會(huì)考慮這些因素來提高RF性能呢？

4.2 天線側(cè)

天線側(cè)由六個(gè)不同的天線組成。TX和RX側(cè)之間的結(jié)構(gòu)增加了TX到RX的隔離，單個(gè)側(cè)面周圍的結(jié)構(gòu)防止輻射到不需要的方向。為了提高RF性能，天線側(cè)沒有阻焊層。如果使用多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)，單個(gè)TX和RX天線的布局方式使得電路板具有多個(gè)虛擬天線，其中三個(gè)用于水平掃描，四個(gè)用于垂直掃描，其原理如圖16所示。這種天線布局設(shè)計(jì)能夠有效提高雷達(dá)系統(tǒng)的掃描能力，大家在設(shè)計(jì)天線布局時(shí)，是否會(huì)借鑒這種MIMO技術(shù)的應(yīng)用呢？

五、TX和Rx通道

5.1 射頻通道之間的相位關(guān)系

由于BGT60ATR24C器件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單個(gè)通道之間的相位部分偏移180°。

5.1.1 TX輸出

TX輸出之間存在180°的相位差，如圖17所示。這種相位差在信號(hào)處理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要特別注意，大家在處理TX輸出信號(hào)時(shí)，是否會(huì)考慮這種相位差的影響呢？

5.1.2 RX通道

由于芯片上本地振蕩器（LO）的分布，單個(gè)RX通道在中頻（IF）側(cè)顯示出180°的相對(duì)相移（圖18）。為了在信號(hào)處理中獲得正確的相位結(jié)果，需要補(bǔ)償這種相移。可以通過硬件（在RX側(cè)為相應(yīng)通道添加180°相位）或軟件來實(shí)現(xiàn)。具體的相移情況如下表所示：

大家在進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)，會(huì)選擇哪種方式來補(bǔ)償這種相移呢？

六、測量結(jié)果

6.1 發(fā)射和接收天線匹配

該shield的天線設(shè)計(jì)在0.4 mm的羅杰斯RO4350B層壓基板上，與頂層使用的0.127 mm厚的基板相比，這種較厚的基板能夠支持更高的天線帶寬。所有測量都包括頂層的饋通。所實(shí)現(xiàn)的帶寬超過4 GHz，天線的中心頻率向更高頻率偏移，但可以通過微調(diào)將其移至BGT60ATR24C MMIC頻率帶的中心。圖19和圖20分別展示了測量的RX和TX天線匹配情況（包括饋通）。這種天線匹配性能對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)的準(zhǔn)確探測至關(guān)重要，大家在設(shè)計(jì)天線時(shí)，是否會(huì)重點(diǎn)關(guān)注天線的匹配性能呢？

6.2 系統(tǒng)輻射特性

以下圖表展示了整個(gè)電路板的輻射特性。使用單個(gè)TX通道作為信號(hào)源，使用雷達(dá)橫截面（RCS）為$1 m^{2}$的角反射器作為目標(biāo)，使用單個(gè)RX通道作為接收器。RF屏蔽在垂直和水平切割平面上以2°的步長旋轉(zhuǎn)，圖21展示了這些平面的定義。使用帶寬為500 MHz的調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）啁啾作為測試信號(hào)，起始頻率從58 GHz以500 MHz的步長變化到62 GHz。接收到的振幅根據(jù)每個(gè)切割平面的峰值值進(jìn)行歸一化，考慮了每個(gè)RX通道的數(shù)據(jù)。測量結(jié)果表明，系統(tǒng)在BGT60ATR24C MMIC的整個(gè)頻率范圍內(nèi)工作良好，但天線仍需要一些微調(diào)，特別是RX2。大家在測試系統(tǒng)輻射特性時(shí)，是否也會(huì)遇到需要微調(diào)天線的情況呢？

總之，BGT60ATR24C ES shield作為英飛凌XENSIV? 60 GHz雷達(dá)系統(tǒng)平臺(tái)的重要組成部分，具有豐富的功能和出色的性能。在設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中，我們需要充分考慮其各個(gè)方面的特性，以實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。希望通過本文的介紹，能讓大家對(duì)BGT60ATR24C ES shield有更深入的了解。大家在實(shí)際應(yīng)用中，如果遇到任何問題或者有更好的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流！