车载毫米波雷达射频前端模块关键技术研究

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在如今的汽车产业中,自动驾驶无疑是最热门的话题。自动驾驶技术的普及将极大地方便我们的日常出行,同时也提高了驾驶过程中的安全性。目前自动驾驶技术在绝大部分汽车上的应用属于高级驾驶辅助系统的范畴,即ADAS(Advanced Driver Assistant System)系统。这一阶段的自动驾驶主要提供如车道偏离预警,前向碰撞预警,自适应巡航等驾驶辅助功能。ADAS系统的核心是安装在车辆上的各种传感器,这些传感器主要用来完成对车辆周围环境的感知和识别。常用的车载传感器主要包括摄像头,毫米波雷达以及激光雷达。其中毫米波雷达因其在不同环境下工作的可靠性,测量的准确性以及成本上的优势,是如今ADAS系统中的主力传感器和重要的硬件支撑。在毫米波雷达系统中,射频前端集成电路是其硬件核心,也是车载毫米波雷达研究的重点和难点所在。如今自动驾驶应用场景更加的多样化与复杂化,这就对车载毫米波雷达系统的性能提出了更高的挑战与要求。为了满足不断提高的系统性能的需求,本文对车载毫米波雷达系统射频前端接收链路中的关键模块进行了深入的研究,重点关注于各模块电路在增益,线性度,噪声性能,带宽以及功耗等方面性能的改善,主要包括其中的低噪声放大器,混频器以及无源单元如电感和Balun(平衡—不平衡变换器)等。本文的主要工作与创新点如下:  1.在低噪声放大器的研究中,针对在毫米波频段采用多级级联结构进行低噪声放大器设计的难点,提出了一种标准单元化的设计方法。这一方法将级联电路之间的阻抗“牵制”关系分离开来,从而将级联系统的设计问题简化为单级电路的设计优化,可以方便实现任意多级的级联结构,因此在提高低噪声放大器增益的同时不会带来任何设计上复杂度的增加,提高了电路设计的效率与准确性。优化设计后,成功对电路进行流片,测试结果与仿真结果吻合。  2.针对在毫米波电路版图设计中电流回流路径对无源器件产生的影响,提出了一种在电路版图电磁仿真过程中对无源器件进行调谐的方法,在最大程度优化器件性能的同时减少了设计中的迭代次数,缩短了电磁仿真的耗时,提高了设计效率。  3.在混频器设计中,提出了一种无跨导输入级混频器结构,和传统基尔伯特混频器相比,在转换增益,线性度以及噪声系数上均有明显的性能改善。成功对其进行流片,测试结果与仿真结果吻合。  4.针对毫米波电路中Balun的应用与设计,一方面给出了从Balun等效电路的原理分析到结构尺寸确定过程的详细设计方法,另一方面分析了利用Balun实现毫米波频段宽带匹配网络的设计理论。  5.在对毫米波电路中电感的研究中,针对电感建模中常用的基于物理表征的模型以及经验模型,分别提出了新的改进结构,从而提高了电感模型的精度,拓宽了模型在结构以及频率上的适用范围。同时在传统的参数提取方式基础上,提出了一种改进的基于电路网络分析的解析提参方法,使得模型中参数的提取过程更加精确。通过流片测试验证,改进的电感模型和提参方法能够实现最高至110GHz频率范围内对电感的精确建模。
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