深入解析BGT60TR13C Shield：XENSIV? 60 GHz雷達(dá)系統(tǒng)平臺(tái)的核心組件

在當(dāng)今的電子技術(shù)領(lǐng)域，雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展日新月異，尤其是60 GHz雷達(dá)系統(tǒng)，因其在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中的出色表現(xiàn)而備受關(guān)注。今天，我們就來(lái)深入探討英飛凌（Infineon）的BGT60TR13C Shield，它作為XENSIV? 60 GHz雷達(dá)系統(tǒng)平臺(tái)的重要組成部分，有著諸多值得我們研究的特性。

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一、60 GHz雷達(dá)系統(tǒng)平臺(tái)概述

60 GHz雷達(dá)系統(tǒng)平臺(tái)是英飛凌60 GHz雷達(dá)解決方案的演示平臺(tái)，主要由Radar Baseboard MCU7作為微控制器板和雷達(dá)傳感器板（如BGT60TR13C Shield）組成。這個(gè)平臺(tái)為開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)便捷的方式來(lái)測(cè)試和驗(yàn)證60 GHz雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用。BGT60TR13C Shield則是本文的重點(diǎn)，它為板載的BGT60TR13C單片微波集成電路（MMIC）提供支持電路，該芯片是英飛凌帶有天線封裝（AIP）的60 GHz雷達(dá)芯片組。

二、BGT60TR13C Shield的關(guān)鍵特性

2.1 小巧的外形設(shè)計(jì)

BGT60TR13C Shield的RF板尺寸僅為 (17 ×12.7 ~mm^{2})，而其天線封裝（AIP）的尺寸為 (6.5 ×5.0 ×0.85 ~mm^{3})，這種極小的外形設(shè)計(jì)使得它在空間受限的應(yīng)用場(chǎng)景中具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2.2 靈活的平臺(tái)選擇

該板為開(kāi)發(fā)者提供了根據(jù)自己的用例選擇平臺(tái)的靈活性，支持多種應(yīng)用場(chǎng)景，如存在檢測(cè)、接近感應(yīng)、人員計(jì)數(shù)和跟蹤、手勢(shì)感應(yīng)以及材料分類等。這些應(yīng)用場(chǎng)景廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、筆記本電腦、電視、智能音箱、可穿戴設(shè)備、智能家居和建筑自動(dòng)化系統(tǒng)等領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)舒適、節(jié)能和安全/保障功能。

2.3 可變的連接器選項(xiàng)

BGT60TR13C Shield具有可變的連接器選項(xiàng)，并且可以焊接到其他PCB上，這為不同的設(shè)計(jì)需求提供了更多的可能性。

2.4 高度靈活的FMCW調(diào)制配置

它在FMCW調(diào)制方面具有高度的靈活性，可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整。

2.5 優(yōu)化的功耗

根據(jù)不同的用例，該板的功耗可以進(jìn)行優(yōu)化。在某些情況下，存在檢測(cè)功能僅需1 mW的功率，這對(duì)于節(jié)能應(yīng)用來(lái)說(shuō)是非常重要的。

三、系統(tǒng)規(guī)格 - 典型電流消耗

不過(guò)，由于傳感器通常在占空比模式下運(yùn)行，實(shí)際功耗往往要低得多，大多數(shù)用例的功耗小于100 mW。

四、硬件描述

4.1 整體概述

BGT60TR13C Shield的印刷電路板（PCB）尺寸為17 mm x 12.7 mm，頂部安裝有英飛凌的60 GHz雷達(dá)傳感器BGT60TR13C，該傳感器集成了天線。由于天線集成在芯片封裝中，因此可以使用標(biāo)準(zhǔn)的FR4層壓板制造PCB，無(wú)需特殊的高頻材料。PCB的頂部中央是雷達(dá)傳感器，底部則是與Radar Baseboard MCU7的主要接口。PCB邊緣的 castellated孔（P1和P2）提供了對(duì)BGT60TR13C最重要信號(hào)的額外訪問(wèn)，通過(guò)使用這些側(cè)面連接器并移除P3和P4，BGT60TR13C Shield可以作為雷達(dá)模塊焊接到其他PCB上。

4.2 BGT60TR13C MMIC

BGT60TR13C是帶有AIP的60 GHz雷達(dá)傳感器，是BGT60TR13C Shield的核心元件。芯片封裝中集成了一個(gè)發(fā)射天線和三個(gè)接收天線，尺寸為6.5 mm ± 0.1 mm x 5.0 mm ± 0.1 mm，高度為0.85 mm ± 0.05 mm。當(dāng)按特定方向放置時(shí)，雷達(dá)傳感器發(fā)射垂直極化信號(hào)，E平面為垂直方向，H平面為水平方向。60 GHz的自由空間波長(zhǎng)約為5 mm，接收天線1（Rx1）和接收天線3（Rx3）之間的水平間距以及接收天線2（Rx2）和Rx3之間的垂直間距均為波長(zhǎng)的一半，這使得傳感器能夠在芯片表面垂直方向進(jìn)行角度測(cè)量，水平范圍為±90度（使用Rx1和Rx3），垂直范圍為±90度（使用Rx2和Rx3）。

BGT60TR13C有五個(gè)1.8 V電源域：模擬、數(shù)字、射頻（RF）、鎖相環(huán)（PLL）和壓控振蕩器（VCO）電路，此外還有一個(gè)3.3 V的環(huán)路濾波器（LF）電源域。為了降低系統(tǒng)相位噪聲和頻率抖動(dòng)，建議將不同電源域的接地觸點(diǎn)短路，并且芯片下方應(yīng)有一個(gè)堅(jiān)實(shí)的接地平面，無(wú)信號(hào)線。

4.3 傳感器電源

雷達(dá)傳感器對(duì)電源電壓波動(dòng)和不同電源域之間的串?dāng)_非常敏感，因此低噪聲電源和適當(dāng)去耦的電源軌至關(guān)重要。Radar Baseboard MCU7提供低噪聲電源，BGT60TR13C Shield使用π形低通濾波器對(duì)不同電源軌進(jìn)行去耦，鐵氧體磁珠用于在MHz范圍內(nèi)提供高電壓波動(dòng)衰減。

4.4 振蕩器

BGT60TR13C雷達(dá)傳感器需要一個(gè)穩(wěn)定的參考時(shí)鐘源，提供低相位抖動(dòng)和低相位噪聲。因此，BGT60TR13C Shield采用了京瓷（Kyocera）的KC2016石英振蕩器，該振蕩器由1.8 V供電，輸出穩(wěn)定的1.8 V數(shù)字信號(hào)。選擇振蕩器時(shí)，最重要的參數(shù)是相位抖動(dòng)和相位噪聲。此外，雷達(dá)傳感器在參考振蕩器信號(hào)既不過(guò)強(qiáng)也不過(guò)弱時(shí)工作效率最高，通過(guò)串聯(lián)電阻R1可以將傳感器處的RF電平調(diào)整到理想范圍。如果電路板重新設(shè)計(jì)或布局有很大變化，可能需要調(diào)整R1的值。

4.5 連接器

BGT60TR13C Shield是英飛凌60 GHz雷達(dá)系統(tǒng)平臺(tái)的擴(kuò)展板，需要連接到MCU板（如Radar Baseboard MCU7）。它包含兩種不同類型的連接器：PCB頂部和底部可見(jiàn)的castellated孔連接器，提供了BGT60TR13C操作所需的所有信號(hào)；主連接器接口包含兩個(gè)Hirose DF40C - 20DP - 0.4V連接器，Radar Baseboard MCU7上有對(duì)應(yīng)的DF40C - 20DS - 0.4V連接器。為了防止Hirose連接器磨損，建議在拔出時(shí)從板的長(zhǎng)邊拉動(dòng)，而不是短邊。

4.6 EEPROM

BGT60TR13C Shield包含一個(gè)通過(guò)I2C接口連接的EEPROM（24CW128X），用于存儲(chǔ)板標(biāo)識(shí)符等數(shù)據(jù)。該EEPROM包含一個(gè)描述符，指示屏蔽板和MMIC的類型，供固件與屏蔽板進(jìn)行正確通信。

五、固件

Radar Baseboard MCU7帶有默認(rèn)固件，作為主機(jī)（通常是PC）和BGT60TR13C RF屏蔽之間的橋梁。當(dāng)固件檢測(cè)到BGT60TR13C Shield時(shí)，會(huì)自動(dòng)配置BGT60TR13C傳感器的驅(qū)動(dòng)層，包括配置芯片和設(shè)置MCU在BGT通過(guò)IRQ線發(fā)出新數(shù)據(jù)可用信號(hào)時(shí)發(fā)起串行外設(shè)接口（SPI）傳輸。固件還會(huì)配置通信層，以便理解雷達(dá)和BGT60TR13C特定的消息。

六、測(cè)量結(jié)果

6.1 輻射模式

BGT60TR13C的數(shù)據(jù)手冊(cè)僅顯示了發(fā)射和接收天線特性的3 - dB值，而實(shí)際測(cè)量的輻射模式可以更全面地了解傳感器的性能。通過(guò)在E平面和H平面上對(duì)BGT60TR13C Shield進(jìn)行表征，使用角反射器反射雷達(dá)傳感器發(fā)射的輻射，并通過(guò)雷達(dá)板的接收天線進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量通常在消聲RF室中進(jìn)行，以避免雜波干擾。測(cè)量結(jié)果表明，在E平面上，存在一個(gè)旁瓣，主瓣相對(duì)于芯片表面旋轉(zhuǎn)約25度；在H平面上，沒(méi)有旁瓣，主瓣垂直于芯片表面。此外，接收信號(hào)強(qiáng)度在約59.5 GHz處最強(qiáng)，并向頻段邊緣減弱。

6.2 相位噪聲測(cè)量

相位噪聲是表征RF信號(hào)的一種方式，在BGT60TR13C的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中，典型的中頻（IF）頻率范圍約為10 kHz至1 MHz，因此需要在這個(gè)范圍內(nèi)研究相位噪聲?？梢灾苯釉诶走_(dá)頻率處測(cè)量相位噪聲，也可以通過(guò)BGT60TR13C的DIV_TEST引腳發(fā)射1:16分頻的RF信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示，典型的BGT60TR13C Shield在不同測(cè)試頻率（58 GHz、60 GHz、63.5 GHz）下的相位噪聲表現(xiàn)良好，并且Radar Baseboard MCU7的不同傳感器接口之間在不同傳感器頻率下的相位噪聲沒(méi)有差異。

七、頻率波段和法規(guī)

英飛凌的XENSIV? BGT60TR13C雷達(dá)傳感器在全球可用的60 GHz頻段內(nèi)工作，通常有一個(gè)57至64 GHz的寬帶（WB），其中包含一個(gè)61.0至61.5 GHz的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段。然而，每個(gè)國(guó)家在占用帶寬、最大允許輻射功率、傳導(dǎo)功率、雜散發(fā)射等方面可能有不同的法規(guī)。因此，在設(shè)計(jì)最終產(chǎn)品之前，強(qiáng)烈建議檢查當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)。

7.1 歐洲法規(guī)

在歐洲，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）定義了相關(guān)法規(guī)，允許非特定短程設(shè)備在57至64 GHz的WB內(nèi)運(yùn)行，但有一定限制。具體的ETSI標(biāo)準(zhǔn)可參考EN 305 550以及電子通信委員會(huì)的建議。需要注意的是，一些國(guó)家可能不遵循統(tǒng)一的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，因此建議檢查特定地區(qū)的國(guó)家法規(guī)并關(guān)注法規(guī)變化。

7.2 美國(guó)法規(guī)

在美國(guó)，聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）定義了標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。無(wú)執(zhí)照的WB覆蓋57至64 GHz，在允許的功率限制內(nèi)，您可以在該頻段內(nèi)的任何地方操作場(chǎng)干擾傳感器。具體細(xì)節(jié)可參考FCC第15.255節(jié)。

總之，BGT60TR13C Shield作為XENSIV? 60 GHz雷達(dá)系統(tǒng)平臺(tái)的重要組成部分，具有諸多出色的特性和性能。電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)應(yīng)用時(shí)，需要充分考慮其硬件特點(diǎn)、功耗、測(cè)量結(jié)果以及法規(guī)要求等因素，以實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)計(jì)效果。你在使用BGT60TR13C Shield的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。