[发明专利]单片集成的低功耗微波雷达感测芯片及雷达模组

说明书

本发明公开了单片集成的低功耗微波雷达感测芯片及雷达模组，解决微波电路尚不能将射频前端、信号处理电路、模拟电路、MCU数字控制电路集成到同一基底材料的芯片电路中，射频微波芯片功耗高，无法满足物联网应用低成本低功耗要求问题。本发明微波雷达感测芯片包括射频电路模块、模拟电路模块和数字电路模块，采用RF‑CMOS互补金属氧化物工艺，将射频电路模块、模拟电路模块和数字电路模块集成到一颗芯片中形成片上系统；微波雷达感测芯片通过外接的无源晶体振荡器输入信号XTAL_P/XTAL_N为系统提供基础时钟，通过TX发射天线向外发射雷达信号，通过RX接收天线接收目标反射回来的信号；采用电压域分割和分时工作的方式对微波雷达感测芯片的电压域进行分割并分别供电。

技术领域

本发明涉及微波雷达感测芯片技术领域，具体涉及单片集成的低功耗微波雷达感测芯片及雷达模组。

背景技术

微波是指频率在300MHz～300GHz范围内的极高频电磁波，其波长范围从1m到1mm。微波具有直线(视距)传播，不受其他电磁波干扰，频带宽，系统体积小等特点，首先在通信领域得到广泛应用。微波技术另一最重要应用当属雷达，使用微波雷达对远距离飞行目标测速、测距、测方位早在第二次世界大战中就已成功应用。

不同于红外探测器，这种微波组件对各种可以反射微波的物体都很敏感，且不受环境温度的影响，因此广泛用于工业、交通及民用装置中，如车辆测速、液位测定、自动门、自动灯、自动盥洗、生产线物料探测、倒车雷达等。报警产品中微波探测器使用这种微波传感器组件，配合周边的电子器件，基于多普勒效应的应用就构成了移动目标微波探测器，即多普勒雷达。

微波探测器所使用的多普勒雷达主要类型为连续波(CW)多普勒雷达(DopplerRadar)。雷达利用电磁波发射后遇到障碍物反射的回波信号对其不断检测，射频收发前端通过天线接收回波信号并与发射信号进行差频处理，再送至后级信号处理模块，根据中频信号来探测目标的相对速度和距离等信息。

由多普勒效应得知，固定安装的雷达发出的固定频率微波，遇到静止物体产生的反射波其频率并不改变，遇到运动物体产生的反射波将会发生多普勒频移，频率的改变类似相对速度的计算，图1是多普勒频移的计算，其中：V＝汽车行驶速度；C＝微波行进速度，300,000Km/S；λt＝发射波微波波长；λr＝反射波微波波长。多普勒雷达在发射微波信号的同时接受反射波信号，并将两者相混差频产生一个新的低频信号，称多普勒信号，其频率称为多普勒频率，是发射频率和反射频率之差：

多普勒频率＝|发射频率–反射频率|＝|1/λt-1/λr|＝|ft-fr|

根据上面公式计算可得：人步行速度1.5m/s，多普勒频移40Hz；车辆限速20Km/h，多普勒频移220Hz。

微波射频模块大多采用分立器件设计而成，模块由低噪声放大器、混频器、滤波器、功率放大器等分立器件组成，器件之间需要用波导微带线的方式进行匹配。由于信号频率高，就要求分立器件接地线要短、分布参数小、在高频电路中必须多接地线，并且要求每根接地线的长度小于信号波长的1/100,同时分立器件的级间匹配非常敏感，导致系统调试困难，产品体积庞大，功耗高，成本高，不利于大规模生产。

随着微波半导体技术的进步，可将射频前端模块集成到一颗芯片上，但是这种单片微波集成电路(MMIC)多采用昂贵的化合物半导体GaAs(砷化镓)工艺，GaAs工艺很难集成大规模的数字电路，且成本高功耗高。然而，现有的微波/毫米波电路尚不能将射频前端、信号处理电路、模拟电路、MCU数字控制电路集成到同一基底材料的芯片电路中，另外，射频微波芯片功耗高，无法在电池供电的系统中应用，也无法满足物联网应用要求的极低成本和功耗的要求。