探索BGT60ATR24C ES Shield：XENSIV™ 60 GHz雷达系统平台的奥秘

在当今的电子技术领域，雷达系统的发展日新月异。英飞凌的XENSIV™ 60 GHz雷达系统平台就是其中的佼佼者，而BGT60ATR24C ES shield作为该平台的重要组成部分，更是备受关注。今天，我们就来深入探讨一下这个BGT60ATR24C ES shield。

文件下载：Infineon Technologies SHIELD_60ATR24ES_01演示板.pdf

一、平台简介

1.1 60 GHz雷达系统平台

英飞凌的60 GHz雷达系统平台是其60 GHz雷达解决方案的演示平台，它由Radar Baseboard MCU7微控制器板和雷达传感器板（如BGT60ATR24C shield）组成。BGT60ATR24C shield需插入Radar Baseboard MCU7底部较长的连接器中，具体连接方式如图1所示。关于Radar Baseboard MCU7的详细信息，可参考相应的应用笔记[1]。

1.2 关键特性

BGT60ATR24C shield旨在展示BGT60ATR24C的强大功能。它具有两个发射通道和四个接收通道，为客户在天线配置方面提供了极大的设计灵活性。该shield不仅便于快速原型设计和系统集成，还能用于产品特性的初步评估。开发者可以根据不同的应用场景选择合适的平台。其应用范围十分广泛，包括存在检测、遗留儿童检测（LBC）、后排乘客提醒（ROA）、接近感应、人员计数/跟踪、手势识别、生命体征监测等。在某些情况下，存在检测仅需传感器消耗1 mW的功率。在汽车领域，它可用于ROA、LBC和仪表盘控制；在其他领域，如智能音箱、家庭/建筑自动化以及安全防护等方面也有应用价值。

二、系统规格

2.1 典型功耗

整个60 GHz雷达传感器平台（由Radar Baseboard MCU7和BGT60ATR24C shield组成）的典型功耗如下：	条件	BGT60ATR24C shield功耗
传感器连接但未激活（BGT60ATR24处于深度睡眠模式）	~0.25 mW(BGT)+~10 mW(晶体振荡器)
BGT60ATR24C shield连接并处于连续波（CW）工作模式（两个发射通道全开 - 最大功耗）	~500mW

条件	雷达系统功耗
MCU复位	~10mW
无传感器连接	~150mW
传感器连接但未激活（BGT60ATR24C处于深度睡眠模式）	~550mW
BGT60ATR24C shield连接并处于CW工作模式（两个发射通道全开 - 最大功耗）	~1500mW

可以看到，不同工作状态下的功耗差异较大，这对于我们在设计系统时合理规划电源供应至关重要。大家在实际应用中，是否会根据这些功耗数据来优化电源管理呢？

三、硬件描述

3.1 概述

BGT60ATR24C shield的尺寸为26 mm x 16 mm，传感器安装在PCB顶部，底部则是贴片天线。目前的设计采用了两层罗杰斯层压板（顶层为RO3003，底层为RO4350B）。为了给MCU板提供正确的电平转换电压，$1.8 V{sensor}$电源线与$V{digital}$相连，具体可参考应用笔记AN599的“电平转换器”部分[1]。当shield插入Radar Baseboard MCU7时，传感器的电源最初是关闭的，只有EEPROM通电。微控制器会读取EEPROM的内容，以确定插入传感器接口的是哪种传感器。不过，使用BGT60ATR24C时并非必须使用这个EEPROM，因为它有一个可以通过SPI直接读取的内部芯片ID。EEPROM只是为了确保与其他没有芯片ID功能的英飞凌芯片兼容。

由于雷达传感器对电源域的噪声和串扰非常敏感，因此不同的电源域必须进行去耦。在BGT60ATR24C shield上，通过在每个电源域（以及振荡器电源）上使用π形低通滤波器来实现这一点。与雷达传感器的通信主要通过串行外设接口（SPI）总线进行，此外还需要两条数字线用于操作。一条线在需要获取新数据时向微控制器发出信号，另一条则允许微控制器对传感器进行硬件复位。板上还安装了一个LED指示灯，用于指示传感器的激活或关闭状态。

3.2 传感器供电

雷达传感器对电源电压波动和不同电源域之间的串扰非常敏感，因此低噪声电源和适当去耦的电源轨至关重要。Radar Baseboard MCU7提供了低噪声电源，具体细节可参考应用笔记AN599的第2.2节。图3展示了用于去耦不同电源轨的π形低通滤波器的原理图。铁氧体磁珠用于在MHz范围内提供高电压波动衰减，例如SPI（最高运行频率为50 MHz）会在数字域中引起电压波动，如果没有去耦滤波器，这些波动会转移到模拟域。选择铁氧体磁珠是因为它们能够处理传感器的最大电流（约200 mA），同时具有低直流电阻（低于0.25 Ω）和高电感。高电感值会降低低通滤波器的截止频率，从而在较低频率下提供更好的去耦效果。大家在设计电源去耦电路时，是否也会优先考虑铁氧体磁珠呢？

3.3 振荡器

英飞凌的XENSIV™ BGT60ATR24C雷达传感器需要一个低相位抖动和低相位噪声的外部80 MHz振荡器来提供稳定的系统参考时钟。因此，BGT60ATR24C shield采用了NDK NZ2520SHA石英振荡器，如图4所示。该振荡器源将输出稳定的1.8 V数字信号。选择振荡器时，最重要的参数是相位抖动和相位噪声，其他振荡器应具有与NDK NZ2520SHA相似的相位抖动和相位噪声。R6系列电阻用于降低传感器处的RF电平，使其处于BGT60ATR24C的最佳范围内。如果重新设计电路板，包含不同的信号源或采用了截然不同的布局，则可能需要调整R1（150 Ω）的值。较高的电阻会导致雷达传感器处的信号较低，如果信号电平过低，传感器的相位噪声会变差；而较低的电阻会提高传感器处的信号电平，从而在雷达数据的距离 - 多普勒图中，近距离处会出现峰值（或虚假目标）。因此，需要测量相位噪声和雷达数据，并通过范围 - 多普勒图来优化布局的串联电阻。大家在实际应用中，有没有遇到过因为振荡器参数不合适而导致的问题呢？

3.4 连接器

BGT60ATR24C shield是英飞凌XENSIV™ 60 GHz雷达系统平台的扩展板（不包含微控制器），必须连接到微控制器板，如Radar Baseboard MCU7。其主要连接器接口包含两个Hirose DF40C - 20DP - 0.4V连接器，Radar Baseboard MCU7在其底部包含相应的DF40HC(3.5) - 20DS - 0.4V(51)连接器。图5描述了BGT60ATR24C shield上Hirose连接器的引脚排列和焊盘布局。为了向主机板提供正确的数字信号电平信息，$V_{digital}$线与1.8 V电源短接。RF屏蔽和MCU7板必须正确对齐。由于Hirose连接器在频繁插拔时容易磨损，建议不要从短边抬起电路板，而是从长边拉动，使短边倾斜，这样可以显著延长连接器的使用寿命。大家在使用连接器时，是否也会注意这些细节来延长其使用寿命呢？

3.5 EEPROM

BGT60ATR24C shield包含一个EEPROM存储器，用于存储电路板标识符等数据，其连接方式如图6所示。虽然BGT60ATR24C本身有内部芯片ID可通过SPI直接读取，但EEPROM的存在是为了确保与其他没有芯片ID功能的英飞凌芯片兼容。

3.6 层堆叠

由于天线集成在PCB上，因此需要仔细选择层堆叠。为了实现低损耗和增强性能，选择了图7所示的层堆叠。除了L1_Top和L2_GND之间的盲孔是激光钻孔外，图7中的所有过孔都是机械钻孔。这种层堆叠设计能够有效提高天线的性能，大家在设计PCB时，是否也会根据天线的要求来精心选择层堆叠呢？

3.7 金属层概述

图8至图12展示了PCB的不同金属层。第一层包含SMD组件、BGT60ATR24C芯片组和匹配网络；第二层是第一层上RF结构的接地平面；第三层包含信号线和电源平面，提供BGT60ATR24C和其他组件所需的电压域；第四层是第五层上天线的接地平面。不同金属层的合理布局对于减少信号干扰和提高系统性能至关重要。大家在进行PCB布局时，是否会特别关注金属层的安排呢？

四、布局概述

4.1 组件侧

第一层是组件侧，包含对shield的RF性能至关重要的元素，如BGT60ATR24C雷达芯片、TX匹配结构、RX匹配结构以及通向天线侧的馈通线。匹配结构将BGT60ATR24C芯片封装侧的阻抗转换为50 Ω，通向馈通线的传输线用于校正通道之间的相位差，确保所有RX通道和TX通道在天线侧同相。为了使这些RF结构正常工作，板与其他物体之间需要一定的距离，模拟显示该距离应大于1.8 mm，这也是shield应插入MCU7板较高连接器一侧的原因。匹配结构和传输线之间的铜区域以及旁边的过孔有助于增加单个RX和TX通道之间的隔离。为了避免影响RF性能，电路板所有与RF相关的区域都去除了阻焊层。大家在设计组件侧布局时，是否也会考虑这些因素来提高RF性能呢？

4.2 天线侧

天线侧由六个不同的天线组成。TX和RX侧之间的结构增加了TX到RX的隔离，单个侧面周围的结构防止辐射到不需要的方向。为了提高RF性能，天线侧没有阻焊层。如果使用多输入多输出（MIMO）技术，单个TX和RX天线的布局方式使得电路板具有多个虚拟天线，其中三个用于水平扫描，四个用于垂直扫描，其原理如图16所示。这种天线布局设计能够有效提高雷达系统的扫描能力，大家在设计天线布局时，是否会借鉴这种MIMO技术的应用呢？

五、TX和Rx通道

5.1 射频通道之间的相位关系

由于BGT60ATR24C器件的拓扑结构，单个通道之间的相位部分偏移180°。

5.1.1 TX输出

TX输出之间存在180°的相位差，如图17所示。这种相位差在信号处理和系统设计中需要特别注意，大家在处理TX输出信号时，是否会考虑这种相位差的影响呢？

5.1.2 RX通道

由于芯片上本地振荡器（LO）的分布，单个RX通道在中频（IF）侧显示出180°的相对相移（图18）。为了在信号处理中获得正确的相位结果，需要补偿这种相移。可以通过硬件（在RX侧为相应通道添加180°相位）或软件来实现。具体的相移情况如下表所示：

RX通道	相移
RX1, RX2	180°
RX3, RX4	0°

大家在进行信号处理时，会选择哪种方式来补偿这种相移呢？

六、测量结果

6.1 发射和接收天线匹配

该shield的天线设计在0.4 mm的罗杰斯RO4350B层压基板上，与顶层使用的0.127 mm厚的基板相比，这种较厚的基板能够支持更高的天线带宽。所有测量都包括顶层的馈通。所实现的带宽超过4 GHz，天线的中心频率向更高频率偏移，但可以通过微调将其移至BGT60ATR24C MMIC频率带的中心。图19和图20分别展示了测量的RX和TX天线匹配情况（包括馈通）。这种天线匹配性能对于雷达系统的准确探测至关重要，大家在设计天线时，是否会重点关注天线的匹配性能呢？

6.2 系统辐射特性

以下图表展示了整个电路板的辐射特性。使用单个TX通道作为信号源，使用雷达横截面（RCS）为$1 m^{2}$的角反射器作为目标，使用单个RX通道作为接收器。RF屏蔽在垂直和水平切割平面上以2°的步长旋转，图21展示了这些平面的定义。使用带宽为500 MHz的调频连续波（FMCW）啁啾作为测试信号，起始频率从58 GHz以500 MHz的步长变化到62 GHz。接收到的振幅根据每个切割平面的峰值值进行归一化，考虑了每个RX通道的数据。测量结果表明，系统在BGT60ATR24C MMIC的整个频率范围内工作良好，但天线仍需要一些微调，特别是RX2。大家在测试系统辐射特性时，是否也会遇到需要微调天线的情况呢？

总之，BGT60ATR24C ES shield作为英飞凌XENSIV™ 60 GHz雷达系统平台的重要组成部分，具有丰富的功能和出色的性能。在设计和应用过程中，我们需要充分考虑其各个方面的特性，以实现最佳的系统性能。希望通过本文的介绍，能让大家对BGT60ATR24C ES shield有更深入的了解。大家在实际应用中，如果遇到任何问题或者有更好的设计经验，欢迎在评论区分享交流！