Distance2Go评测及试用3：硬件设计分析

watershade

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毫米波测量原理似乎简单，依靠发射和接收来测定物体。
但涉及的算法很多。我在上一篇中讲了几种毫米波的区别。忽然发现官网主页上有个
视频讲的更清楚，分享一下。（主页的视频中的第二个视频，名字是：“24GHz Radar (BGT24MTR11) Demonstration with SDH´s Algorithm”）。大家可以看一下。通常的FWCW的精度依靠带宽。24G的因为带宽只有200M，所以精度只有75CM。而77和79G的可以做到15和5CM。但是通过SDH的算法可以让24G的精度也高达25CM。近距离甚至5CM。
上一篇本来应该有硬件分析的，但是这部分篇幅太多。就在这一篇详细介绍硬件设计。本片将从硬件框架和原理图来分析整体的硬件设计原则。在编写本篇时，文字可能不够连贯。因为作者也是毫米波的新手，要阅读大量文章和参阅各种视频。我也是准备借着这个套件，来深入了解毫米波技术。因为我相信毫米波技术大有用处。
有几个名词先写在这里：
>| corner reflector:角反射器。用来将电磁波/光原路返回的设备。自行车的后面的保护用的反射镜就是角反射器的一种。
>| RCS(Radar Cross Section):雷达拦截面积。与形状，尺寸，材料都有关系。可以google之。
microstrip patch antennas:微带贴片天线。微带天线分为微带贴片天线和微带缝隙天线（Microstrip Slot Antenna）。通常实在一个薄基片上，一面铺地，一面蚀刻成特定形状。价格便宜。说了这么多，看图说话。我们就看看Distance2Go的微带天线是啥：
（再看文档的4.2.1的时候，发现有关于板层的描述。告知这是一块6层板。所有的过孔都是始于Top层。这部分有关于微带天线相关的描述。不出所料第2，5层是RF的Ground。请参阅）

>| Wilkson power divider /Wilkson combiner: 先说前者。后者是个专有名词，叫做功分器或威尔金森功分器。wiki上解释说这个电路时用被动元件（无源元件）制作的，因此时可逆的。所以可以作为复合器来使用。顾名思义，前者可以将一路输入信号分成相互隔离的不同输出信号，后者可以将多路信号组合成一路信号输出。找到一篇帖子介绍的，比较详细。文章提到了毫米波时怎么试用功分器和复合器。（我就不赘述）还有一篇里面给了更加形象的描述。盗图如下：
下面上真图（应该是这个）：


>| MPA：Matix Power Amplifier,矩阵功率放大器
>| DC Blocks：隔直器。先上图：

像是两根平行走线(构成小电容)。应该可以看作高频滤波器，只是门限比较低的滤波器。用万用表测量电阻是1.2欧姆。
>| Harmonic filter：谐波滤波器。板子上的这块构造十分奇怪，外行没看明白。不知道怎么实现的谐波滤波。（请高人留言分享）
>| MMIC: Monolithic Microwave IC,单片微波集成电路。本次评测的核心芯片BGT24MTR11就是MMIC。
>| VCO: voltage controlled oscillator,压控振荡器。应该就是在PLL的基础上用做小范围的调整频率。正是FMCW波形的前提。但暂时不能确定，等我回头读文档之后确定。
>| feedthrough:馈通。不敢确定是不是图中的东西：



工程问题太复杂了。
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之前觉得雷达是一个神秘的玩意，雷达的天线阵列设计也十分高深。一直不敢轻易涉足。这次拿到开发板之后，开始看了不少资料。算是对雷达有了一些了解。觉得可以在雷达上多了解一点，后面可以尝试做一些传感器。很多技术问题往往是因为不了解所以才觉得高深莫测的。那今天我就基于阅读官方的资料AN543，来做一个总结。

一、硬件布局和电路先照搬文档图片，我觉得这张图片仔细分析就能看懂整个硬件。


可以看出整块电路分成两大部分。这也是现在很多MCU板卡采用的经典结构：编程器+MCU功能模块。两部分的接口是UART和SWD编程接口。整个板子设计很小巧。编程器应该是获得了segger的授权，因为上面有它家的标识。

现在就宏观层面上重点讲功能部分。不同与普通的MCU评估板卡，这款板卡尽管结构上与前者一直，但是主角明显是24G Radio部分。这部分也是最难的部分。（注意下面的讲解自动忽略编程器部分）
1.1 电源
电源上功能板部分有自己单独的5V输入。（但是需要说明的是，普通的USB2.0端口，允许最大的电流是500mA.在后面你会发现整个设计上电源的峰值功耗可能超过500mA.[官方尽管说可以高达400mA,但是如果你外接一些设备也许就超过了500mA]尽管编程部分可以折断单独用。但还是建议两个口都插上电源。）
尽管整个模块上的功能芯片都在3.3V供电条件下工作，但英飞凌却试用了U20、U21、U22三个LDO分别为各个模块供电。
    U20，LP5912，可以提供500mA输出能力，给MCU的模拟量部分供电、BGT24MTR11以及IF供电
    U21,LP5907,具有250mA输出能力，给PLL(锁相环)和OSC（振荡器）供电。
    U22和U21同样型号，为MCU供电。
    上面提到的IF是中频的意思，想了解更多可以看这个链接。这样你就能了解RF、IF和基带的大致概念。


LMX2491RTW: 6.4GHz的低噪声分数锁相环
1.2 MCU
MCU就是XMC4200.这家伙是高达80MHz频率，256kb的flash和40k的RAM的M4内核CPU.功能归纳起来一个是管理Radio的发射并用ADC接收得到的信号。可以运行在其上运行多普勒或FMCW算法。另一个功能是提供给用户外设必备的接口：GPIO/SPI等，结合雷达一起做一些东西的控制。
这部分就不深入扩展了。可以结合AN532的Table 8和原理图详细了解提供毕给用户的接口。
MCU通过SPI和BGT通讯，BGT讲中频信号放大之后给MCU的ADC采集，另外BGT分频之后的信号时钟作为反馈信号给MCU。这是两个部分主要的沟通方式。

1.3雷达部分
雷达方面的知识我懂得不多，但基本原理就是发射指定频率的电磁波，然后通过反射回来的电磁波频率变化来检测目标的速度（多普勒）。通过调制出频率渐变的发射信号，再根据截获的信号可以获取目标的位置和速度。总结起来就是一个Tx环节和一个Rx环节。现在结合框图分析一下。
TX环节：先通过PLL产生24GHz信号.(24GHz的信号先16分频，反馈给PLL，然后再分频65536作为MCU的计数源。)通过PA将信号输出给威尔金斯复合器，然后通过天线输出射频信号。
RX环节：接收到的信号先通过LNA(低噪声放大器)放大，然后进入，接着通过PPF(多相滤波器滤波)。然后将处理完的信号通过外面的放大器环节之后进入ADC。
AN543将这两部分详细的分成了多个环节。这里简单复述一遍：
1.3.1 模拟前端(RF frontend)
包含BGT（BGT再整个文档中标识BGT24MTR11这款24GHz收发器单片微波集成电路）、锁相环和相关的滤波放大电路等。
BGT高度集成，是整个系统的核心。在它的内部实现了将RF信号变为零中频(Zero-IF，新名词太多了，感觉知识不够用)。但构造比较复杂。后面我专门开一篇将我的了解写个简单的文章。这里暂时不详细描述。这个芯片最大只有500mW的功耗，太低了。英飞凌的确厉害。
发射链路：在分析整个射频框图的时候，我发现无论是从BGT的TX还是进入BGT的RX，似乎都是差分信号。TX输出的电线经过威尔克斯复合器合成一个单端信号。单端信号经过谐波滤波器（可以将48GHz的谐波减少到小于20dB）消除高次谐波。过滤之后的信号通过隔直器进一步消除直流（和特低频信号）。因为要将天线引到板子的另一侧，所以添加了馈通滤波。为了提高ESD，在进馈通前，先和射频的GND短路。然后就是天线阵列。
接收链路：接收的输入信号也是单端的。接收天线阵列接收到信号，过孔到Top层。同样增加了一个馈通来滤波。然后到隔直器。经过结构匹配之后进入BGT。同样信号在到馈通之后先和一侧的板子短路。（和文档相反的方向描述）
1.3.2 天线阵列
Distance2Go的手法都是2*4的微带片状天线。我测量了一下，天线之间的中心距离差不多是7.8mm。天线片的长款差不多是3.125，这和24GHz的电磁波的1/4是等同的。所以天线中心的距离差不多是1/4波长的2.5倍。
因为没学过天线，这部分并不十分理解。我记得另一位做评测的有分析过角度问题。基本上和波的干涉有关系。
1.3.3模拟基频部分
BGT从接收器提供同相和正交的中频信号（这两个信号在自然界是差分的），因此产生了四个输出信号：IFIP，IFIN，IFQP，IFQN。等两组差分输出信号。基于雷达天线的目标信号不同，颗产生振幅只有uV到mV的信号。为了处理这个信号，必须经过模拟放大器。这样两组差分信号分别经过初级低噪声放大（OPA2376）之后，输出两个单端信号。这两个单端信号再继续经过INA827的二级别放大之后提供30dB的放大。
这部分比较tricky的部分是，可以分局RCS的不同以及距离的不同来设置不同的配置。（只用更高MCU即可，原理图真的看不清楚。建议官方提供高清原理图。）
1.3.4 PLL等其它部分这里不再详细描述。

【本文完成于2018年的最后一天，加班到近11点。明年继续评测。】

watershade

这里补充一下：原理图和Gerber文件。请设计雷达的朋友们看一下Gerber的分层和布线。（这两个文档官方没有提供直接链接，但你如果你安装了Distance2Go的软件包，里面的Hardware部门有这两个文件。）
原理图 Distance2Go_V1V0_PCB_12072017_Release.PDF (1.54 MB, 下载次数: 3)

2019-1-2 12:28 上传

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schmatic
Gerber Distance2Go_V1V0_PCB_12072017_Gerber_Files_Release_23082017.zip (244.17 KB, 下载次数: 5)

2019-1-2 12:27 上传

点击文件名下载附件
gerber

feixiang20

看看了

watershade

feixiang20 发表于 2019-1-7 11:37
看看了

谢谢你的支持

唯噯不離

写的非常详细，对我很有帮助！加油！

eefocus_3761566

写的好厉害

eefocus_3835900

楼主你好 英飞凌官方现在已经不提供DISTANCE2GO的资料下载了，您那边还可以提供IFX-D2G-HW-SW的文件夹吗 谢谢！

eefocus_3835900

watershade 发表于 2019-1-2 12:28
这里补充一下：原理图和Gerber文件。请设计雷达的朋友们看一下Gerber的分层和布线。（这两个文档官方没有提 ...

楼主你好 英飞凌官方现在已经不提供DISTANCE2GO的资料下载了 您那边可以提供IFX-D2G-HW-SW 的文件吗 谢谢楼主！！！