【应用】基于24GHz雷达收发一体芯片CHC2442-QPG和高频/微波PCB板材RO4835的无人机远程测距方案

时间： 2020-03-03 来源：世强

技术问答

随着科技的发展，无人机的应用已经变的越来越广泛，为了在各种条件下实现安全的飞行，精准实时的测距成为无人机必须具备的功能之一。传统的测距方案包括三角测量、时间测量、共焦测量等光电传感测距方案，这些方案通过发射激光并对接收的激光信号进行处理，从而提取出距离信息，但是这些方案对空中环境非常敏感，气动噪声严重影响了位置信息的距离与准确性，实时数据处理难度大，很难实现快速、精准测距。相较于传统的测距方案，24GHz微波雷达测距方案由于其实时性强、反应速度快、测量距离远以及全天候的工作特性，使得其成为目前主流的无人机远程测距方案。

图1 基于24GHz微波雷达的无人机远程测距方案系统框图

基于24GHz微波雷达的无人机远程测距方案系统框图如图1所示，主要包括通信单元、天线阵列单元、电源管理单元、处理运算及高度测量单元四个部分。其中通信单元中的24GHz雷达收发一体芯片是整个无人机远程测距方案的核心，这一收发一体芯片需要满足以下几方面的要求:

1）发射机具有较高的输出功率，使得无人机可以实现远程测距。

2）接收机具有较高的增益以及较低的噪声系数，从而使得接收机具有较高的灵敏度，实现远程精准测距。

3）整个24GHz雷达收发一体芯片的各个端口之间具有较高的隔离度，实现芯片中发射通道、接收通道以及本振信号产生通道之间互不干扰。

针对上述对于24GHz雷达收发一体芯片的需求，著名半导体供应商UMS推出的高集成收发一体芯片 CHC2442-QPG是用户的绝佳选择。CHC2442-QPG的内部结构图如图2所示，其是业界唯一采用GaAs工艺生产而成的24GHz雷达收发一体芯片，其主要性能参数为；

1）工作频率为24-24.5 GHz

2）最大发射功率大于13dBm

3）发射通道增益可调范围为12dB

4）接收机增益为37dB

5）接收通道增益可调范围为24dB

6）当射频可调增益放大器VGA增益最小时，1dB压缩点功率P1dB等于-16dBm

7）直流偏置电压3.3V，偏置电流为205-225mA@Pout@stage 8-0

8）工作温度范围为-40℃～+125℃

9）采用28L-QFN4X5 SMD封装，符合RoHS标准

10）芯片内部集成VCO产生的时钟信号的相位噪声为-90dBc@100kHz

11）本振LO端口和射频RF端口隔离度大于等于45dB

12）接收机单边带噪声系数SSB NF为11.5dB

图2 CHC2442-QPG芯片内部结构图

由上述可以看出，UMS推出的高集成收发一体芯片CHC2442-QPG具有发射/接收通道增益高、增益可调幅度大、接收机噪声系数低、不同端口之间隔离度较大等优点，可以很好的满足无人机远程测距系统对于24GHz雷达收发一体芯片的要求。

为了充分发挥出无人机远程测距方案中芯片和天线阵列单元的性能，还需要结合性能优良的高频PCB板材。传统的FR4板材是由环氧树脂和玻璃布压合而成，其介电常数在4.2-4.7范围内且随温度变化，在0~70℃的温度范围内，其最大变化范围会达到20%，一般设计时介电常数经典值为4.4。损耗因子等于0.02，可以看出这种板材介电常数波动大，且由于损耗因子较高使得微波信号传输时衰减较大，无法满足无人机远程测距系统对于板材的要求。全球知名的高频PCB板材提供商ROGERS公司推出的RO4835具有优良的性能，其内部添加了陶瓷和玻璃布的碳氢化合物，大幅增加了产品的一致性和使用寿命。其主要具体性能参数如下；

1）介电常数温度系数TCDK为50ppm/℃

2）尺寸稳定性为<0.5mm/m

3）XYZ三轴的热膨胀系数为10/12/31ppm/℃

4）RO4835板材可以和FR4混压

5）在24GHz高频处表现出良好的介电常数稳定性和一致性

6）介电常数DK的设计值为3.66，制造值为3.48±0.05

7）损耗因子等于0.0037

可以看出，ROGERS公司推出的RO4835具有较高的介电常数稳定性，较低的热膨胀系数，且损耗因子较低（保证了高频信号在PCB传输线上具有较低的损耗）。

综上所述，UMS推出的高集成收发一体芯片CHC2442-QPG具有发射/接收通道增益高、增益可调幅度大、接收机噪声系数低、不同端口之间隔离度较大等优点，可以很好的满足无人机远程测距系统对于24GHz雷达收发一体芯片的要求。再配合ROGERS公司推出的低损耗、高稳定性的高频/微波PCB板材RO4835，助力无人机实现精准实时的远程测距功能。

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