【应用】基于频率合成器控制的24GHz毫米波汽车雷达设计方案
汽车先进驾驶辅助系统（ADAS）解决方案中，毫米波雷达不仅可以解决超声波雷达作用距离短、易受干扰的问题，同时可以解决基于摄像头的被动视觉系统容易受到天气的影响，尤其在雨天或者雾霾严重的情况下，其性能严重下降的问题。毫米波雷达可支持全天候应用。
项目简要介绍
本文所述方案对应项目的需求为设计一款毫米波雷达，用于汽车盲点监测系统BSD预警感测。该雷达系统可为驾驶员探测车辆后方盲点区域内存在的行人和车辆，在车辆转弯或超车时可进行预警，减少并线换道时的事故。
项目基本要求：毫米波雷达可探测目标距离和速度，探测距离至少为50m，同时距离探测精度不低于0.5m，速度探测精度不低于0.5km/h，即要求选用的毫米波雷达MMIC具有发射功率大、发射频率带宽的特点。
在目前的ADAS系统中，毫米波雷达所选用的频段通常为77GHz和24GHz。由于24GHz毫米波雷达制造加工工艺更加成熟，成本更低，因此在国内市场上的应用广泛。
综上所述，本项目选用24GHz频率的毫米波雷达MMIC，经过功率与发射信号频率带宽的比较，我们最终选用UMS推出的一款一发两收24GHz毫米波雷达MMIC--CHC2442-QPG。
CHC2442-QPG的性能优势
CHC2442-QPG是全球24G雷达收发芯片解决方案出货量第一的UMS推出的一款24GHz毫米波雷达MMIC，具备1个发射器和2个接收器，相比于1发1收方案，不仅可为用户提供方位信息，同时可以降低虚警概率。
CHC2442-QPG的发射频率范围为24GHz~24.5GHz，超宽发射频率范围可实现更高感测精度，在近场感测中精度可达毫米级，其发射功率可达13.2dBm，感测距离可达160米。此外，该款MMIC的发射功率、接收增益均可调节，可完美平衡短距离探测和长距离探测的性能。
CHC2442-QPG内部结构如图1所示，其集成低噪声的VCO、Tx PA、混频器、接收LNA和中频放大器等。
图1：CHC2442-QPG功能框图
CHC2442-QPG+频率合成器的设计方案及原理简介
本方案中以FMCW的工作方式分析CHC2442-QPG的基本工作原理。下文分析默认FMCW模式，其基本工作原理如图2所示，外部模拟电压控制芯片内部的VCO产生频率为24GHz~24.5GHz的信号，信号一部分通过发射天线向外辐射，同时一部分信号进入芯片内部的混频器。辐射出去的微波信号被目标反射，由接收天线接收后与当前发射频率信号进行混频，输出差频信号。假设目标静止，根据FMCW雷达的工作原理，输出差频信号的频率与信号从发射到接收的时间差成正比，因此可通过对输出信号进行FFT得出其频率，即可换算成信号从发射到接收的时间差，然后根据电磁波的传播速度即可得到距离。而对于运动目标，结合多普勒频移即可获得运动目标的距离以及速度信息。
图2：CHC2442-QPG的基本工作原理
本方案采用频率合成器对CHC2442-QPG的VCO进行控制，选用频率合成器功能框图如图3所示。该合成器具有调制和波形产生能力，可支持小数N分频频率合成，内部集成PFD、电荷泵以及可编程参考分频器，可控制外部VCO在频域内产生锯齿波、三角波等，满足FMCW应用。
图3：频率合成器功能框图
本方案中采用CHC2442-QPG结合频率合成器设计的24GHz毫米波雷达系统结构如图4所示。
图4：基于CHC2442-QPG+频率合成器的24GHz毫米波雷达系统结构
基于CHC2442-QPG+频率合成器的24GHz毫米波雷达系统的工作原理为外部高精度晶体振荡器输出时钟信号输入频率合成器中，在芯片内部经过倍频、分频后作为参考时钟输入到频率合成器内部的鉴相器中，同时CHC2442-QPG的发射频率经过16分频后输入到频率合成器中的小数N分频的分频器，其内置的Σ-Δ型小数插值器，能够实现可编程模数小数N分频，分频器的INT和FRAC寄存器可构成一个总N分频器（N = INT + （FRAC/225）），小数N分频后的信号输入鉴相器，在应用中可编程控制分频系数自动变化，通过鉴相器输出控制电荷泵输出电压信号，控制CHC2442-QPG内部的VCO在频域内产生各种波形，如锯齿波和三角波，从而实现LFMCW雷达工作体制中的发射信号。简化后的CHC2442-QPG+频率合成器的24GHz毫米波雷达系统控制VCO产生发射信号的原理如图5所示。
图5：简化的基于CHC2442-QPG+频率合成器的24GHz毫米波雷达原理框图
CHC2442-QPG+频率合成器让24GHz毫米波雷达不再被温漂困扰
毫米波雷达芯片中的VCO是影响雷达性能的重要模块，首先VCO的输出频率并不与电压控制信号呈严格的线性关系，其次，由于VCO自身物理特性的影响，其输出频率会随着温度变化发生漂移。
在传统的FMCW毫米波雷达中，控制VCO产生射频信号的方式一般为D/A转换器输出电压信号控制VCO输出，为了解决输出频率与控制电压之间的非线性问题，需要对输出频率与控制电压直接进行校准，需对大量采样点的数据进行测量，且对仪器设备要求高。为了解决温度导致的输出频率漂移问题，则需在特定温度环境下对各频率点进行校准，需校准多组环境温度数据，且在使用中需要实时测量外部环境温度，以调整控制电压，控制过程复杂，且由于各种测量误差以及控制误差，输出频率的精度较差。
在本方案中介绍的采用频率合成器控制毫米波雷达芯片CHC2442-QPG中的VCO的设计方案，VCO的输出频率由小数N分频器的工作状态决定，分频器系数只要设定为线性变化即可产生严格的线性调频发射信号，即使温度变化也不会出现输出频率漂移的问题，为产生高精度、严格的线性调频发射信号，显著提高24GHz毫米波雷达的探测精度。
表1：采用D/A转换器控制VCO与频率合成器控制VCO的方案比较
总结
24GHz毫米波雷达依靠其探测距离长，可全天候工作，受到ADAS系统应用青睐。本方案介绍了24GHz毫米波雷达MMIC芯片--CHC2442-QPG基于频率合成器进行调制一种设计方案，相比传统设计，频率控制精度更高，雷达探测更加精确，同时可显著降低测试、调试、生产的难度，目前已在实际项目中验证其可行性。
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型号- CHA7618-99F,CHA2441-QAG,CHV2421-QDG,CHT4016-99F,CHA5618-99F,CHK9013-99F,PPH25,CHA6105-99F,CHA4105-99F,CHR3693-QDG,CHA4314-98F,CHX2095A99F,CHP3015-QDG,CHC2444-QBB,PH25,CHA5266-FAB,CHR3352-QEG,CHA3664-QAG,CHA7115-99F,CHA3514-99F,CHC6094-QKB,CHV3241-QDG,CHR2411-QDG,CHA5115-99F,CHS5104-QAG,CHA6652-98F,CHA8012-99F,CHA8362-99F,PH10,CHA6551-99F,CHA6652-QXG,CHA5005-QDG,CHP4014-98F,PH15,CHA4253AQQG,CHW4313-QAG,CHA3398-98F,CHA6095-QKB,CHA2494-98F,CHT3029-99F,CHT3091A99F,CHR3762-QDG,CHA7453-99F,CHP4014-QEG,CHT4690-QAG,CHR3364-QEG,CHA3395-98F,CHA2293-99F,CHX1191-QDG,CHV1203-FAB,CHP4010-99F,CHX2089-99F,CHA5266-99F,CHA4253-FAB,CHW4312-QKA,CHA2159-99F,CHE1260-QAG,PPH15X,CHA6005-99F,CHA3656-QAG,CHR3662-QDG,CHW4213-QAG,CHU3377-98F,CHR3693-FAB,CHA5014-99F,CHKA012A99F,CHZ180A-SEB,CHT4694-QAG,CHX2092A99F,BES,CHA7250-QAB,CHA2368-98F,CHR1080A98F,CHA7060-QAB,CHX2193-FAB,CHA2394-99F,CHT4690-FAB,HB20M,CHM2179B98F,CHA3092-99F,CHA7063-QCB,CHA3090-98F,CHA8252-99F,CHZ180AASEB,CHK015AAQIA,CHP3010A98F,CHA3511-99F,CHA2595-98F,CHX1162-QDG,CHR1080A99F,CHT4016-QEG,CHP1102-QGG,CHA4105-QDG,CHR3693-99F,CHA2069-QDG,CHW4212-QKA,CHA6682-98F,CHP1102-98F,CHA2090-99F,CHA1010-99F,CHU2277-99F,CHR3394-QEG,CHA4350-QDG,CHA3801-99F,CHR3663-QEG,CHX2193-99F,CHC1443-QRA,CHX1191-98F,CHA3666-99F,CHM1080-98F,CHR3763-QDG,CHS8618-99F,CHA7452-99F,CHA3409-98F,CHA2362-98F,GH25,CHA5266-QDG,CHR3764-QEG,CHT3029-QEG,CHA3024-QGG,CHA2098B99F,CHT3091-FAB,CHA2352-98F,CHR2294-99F,CHA3063-99F,CHA3395-QDG,CHK8015-99F,GH15,CHA6550-98F,CHA2494-QEG,CHA8611-99F,CHR2270-QRG,CHA8710-QDB,CHA2066-99F,CHM1291-99F,CHA3801-FAB,CHP4511-99F,CHA8710A99F,CHS5104-FAB,CHK5010-99F,CHP4012A98F,CHA3080-98F,CHA6550-QXG,CHA5659-98F,CHM1294-99F,CHK8101-SYC,CHX2090-QDG,CHA3512-99F,CHK8013-99F,CHA1008-99F,CHA8618-99F,CHA2190-99F,CHA5350-99F,CHS5100-99F,CHA3565-QAG,CHA6682-QKB,CHV1203A98F,CHA5659-QXG,CHP3010-QFG,CHT4660-QAG,CHA3688AQDG,CHA3024-99F,CHA4253A98F,CHA7062-QCB,CHA3801-QDG,CHR3664-QEG,CHA2110-QDG,CHX2192-99F,CHR3362-QEG,CHA2595-QDG,HP07,CHA4107-99F,CHA3396-QDG,CHA2069-99F,CHR2421-QEG,CHT4699-QDG,CHZ015AAQEG,CHS5104-99F,CHP1102-QDG,CHT4690-99F,CHR3861-QEG,CHP4012-QEG,CHA8100-99F,CHT3091AQAG,CHX3068-QDG,CHR3894-98F,CHZ8012-QJA,CHA2266-99F,CHS2411-QDG,CHV1206A98F,CHA8352-99F,CHA3218-99F,CHR2295-99F,CHA7455-99F,CHA2069-FAB,CHP6013-SRF,CHA1077A98F,CHX2091-99F,CHA2193-99F,CHA3666-FAB,CHA3024-FDB,CHM1290-99F,CHA8610-99F,CHT4694-99F,CHM2378A99F,CHA6710-FAB,CHA2157-99F,CHU2277A98F,CHS7012-99F,CHA8254-99F,CHA2110-98F,CHA3023-99F,CHKA011ASXA,CHA3656-FAB,CHC3014-99F,CHA6262-99F,CHA8262-99F,CHKA012BSYA,CHM1270A98F,CHT4012-QDG,CHA2411-QDG,CHA6094-QKB,CHP3015-99F,CHE1260-98F,CHA4107-QDG,CHA3513-99F,CHA5115-QDG,CHA2063A99F,CHK9014-99F,CHA7114-99F,CHK8201-SYA,CHA3397-QDG,CHA2080-98F,CHV2411AQDG,CHA3665-QAG,CHE1270-QAG,CHA2292-99F,CHT4660-FAB,CHV2240-99F,CHA8312-99F,CHA6710-99F,CHC2442-QPG,CHA3398-QDG,CHA6653-QXG,CHA3666-QAG,CHA7215-99F,CHA6354-QQA,CHK8101A99F,CHA4102-QEG,CHA4220-98F,CHC6054-QQA,CHR2291-99F,CHS5105-QAG,CHA6653-98F,CHA6362-QXG,CHA6005-QEG,CHA2066-QAG,CHT4012A98F,CHV2243A99F,CHA8054-99F,CHZ9012-QFA,CHA6282-QCB,CHX2090-99F,CHA3689-99F,CHE1270A99F,CHR3894-QEG,CHA6194-QXG,EC2612-99F,CHR2296-99F,CHE1270A98F,CHA6356-QXG,CHA8612-QDB,CHM1298-99F,CHA6357-QKB,CHA8212-99F,CHA4220-QGG
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产品型号
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品类
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RF Bandwidth (GHz)min
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RF Bandwidth (GHz)max
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Gain RX(dB)
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Gain TX(dB)
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Pout TX(dBm)
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NF RX(dB)
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Number of Bit Atten.
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Bias(mA)
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Bias(V)
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Case
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CHC2442-QPG
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传感器
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24
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24.5
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37
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VCO incl.
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13.5
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11.5
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5
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225
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3.3
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QFN
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选型表 - UMS 立即选型
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授权代理品牌：接插件及结构件
授权代理品牌：部件、组件及配件
授权代理品牌：电源及模块
授权代理品牌：电子材料
授权代理品牌：仪器仪表及测试配组件
授权代理品牌：电工工具及材料
授权代理品牌：机械电子元件
授权代理品牌：加工与定制
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