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低成本、高集成度的CMOS毫米波雷达因其探测范围广、抗干扰性强、高分辨率等优点得到广泛应用。自动驾驶需要毫米波雷达实现长、中、短距离目标的探测。77 GHz雷达因其更大的扫频带宽具备更精确的距离分辨率,可实现自适应巡航中精准、实时的碰撞预警,但77 GHz高频晶体管性能恶化且路径衰减严重,采用相控阵技术有效提升了雷达最远探测距离。车道偏移预警、自动泊车等自动驾驶技术需要毫米波雷达实现近距离目标探测,24 GHz雷达因其更大的3 d B波束宽度具备更广的探测范围,并且短距雷达需安装车身多个位置,更低功耗与成本的24 GHz雷达更适于自动驾驶的近距探测。一、为实现更精确的探测分辨率和更远的探测距离,本文基于55-nm CMOS工艺设计了一款中长距77 GHz相控阵雷达接收机芯片。为实现更广的探测范围和更低的功耗及成本,同时给出了一款短距24 GHz双模式（FMCW、Doppler）雷达接收机芯片。实现覆盖长、中、短距离目标的探测,满足了高度自动驾驶的探测需求。二、完成了一款中长距77 GHz相控阵雷达接收机芯片的关键技术研究与设计。1、根据变压器极点理论,采用谐振峰值控制技术增大带宽。采用三圈反相耦合输入巴伦有效提升电路等效跨导。完成了一款77 GHz的三级宽带LNA,LNA芯片测试结果表明:此款宽带LNA可获得15 GHz的3 d B带宽,增益可达11.2 d B,NF及IP1d B分别为6.7 d B及-7 d Bm,整体功耗为41 m W。采用上述LNA中的技术,结合具有动态电流注入与谐振峰值控制的混频器,完成了用于77 GHz中长距雷达接收机的前端电路。TT-corner接收前端电路后仿真结果表明:LNA在考虑TX泄漏及COB封装前提下获得6.7 d B的NF,在76～81 GHz范围内增益大于18.1 d B。77 GHz雷达的正交混频器,在76～81 GHz带宽内CG大于8.0 d B,10 MHz中频处NF为13.6 d B,IP1d B优于-4 d Bm。2、完成了用于77 GHz中长距相控阵雷达接收机的其他模块设计,包括三倍频器、相移器及威尔金森功率合成器。其中三倍频器采用有源谐波倍频器,在cascode之间引入无源网络增强三次谐波。TT-corner后仿表明:在76～81 GHz带宽内插损仅为-7.5～-6.5d B,基波及二次谐波抑制比均大于32 d Bc。相移器采用4-bit开关型结构,通过控制尾谐振腔中电感的有效长度,增强了相移器的鲁棒性。后仿真结果表明:此款相移器在5个corner下RMS phase error均小于9°,最优RMS phase error仅为1.5°。基于传输线的8转1威尔金森合成器各端口间隔离度均大于20 d B,插损优于-14.5 d B。3、完成了77 GHz中长距相控阵雷达接收机芯片整体设计与后仿真。TT-corner后仿真结果表明:单通道接收机的峰值转换增益可达22 d B,在76～81 GHz带宽内转换增益大于15 d B,IP1d B优于-17 d Bm,在10 MHz中频处的噪声系数为7.5 d B。接收阵列的peak-to-null大于20 d B,peak-to-peak大于10.5 d B,3 d B波束宽度为8°。三、完成了一款短距24 GHz双模式雷达接收机芯片的关键技术研究与设计。1、24 GHz雷达为实现±40°的3d B波束宽度,采用PCB天线,导致收发之间的隔离度仅有20 d B,并且24 GHz短距雷达中频范围低,因此重点分析了毫米波短距雷达发射机泄漏对接收机闪烁噪声的影响机制,主要分为三部分影响:射频跨导管闪烁噪声上混频、本振跨导管闪烁噪声上混频以及开关管中的动态DC电流。2、完成了24 GHz短距雷达接收机前端电路设计,为优化短距雷达接收机的低频闪烁噪声,采用无源混频结构,为弥补接收链路增益不足,加入一级差分共源LNA,将LNA与正交混频器通过二转四变压器进行连接,整体采用整合式电路设计。对输入巴伦、二转四变压器及源极退化电感进行整体电磁场仿真以保证自建模的准确性。由于在FMCW模式下,发射机的泄漏导致接收机中频处产生直流失调(ΔVDC),且ΔVDC随扫频不断变化,因此中频输出需通过隔直电容与基带连接。在Doppler单频点模式下,由于ΔVDC是一个固定值,接收机与基带直接连接,导致基带电流注入接收机,使开关管的直流电压与FMCW模式下不同,因此本设计采用R2R结构DAC为不同工作模式下的混频器提供最优的直流偏置。3、完成24 GHz双模式短距雷达接收机芯片的整体设计与后仿真,TT-corner后仿真结果表明:在FMCW模式下,可获得15.8 d B的峰值转换增益,在23～24.25 GHz带宽内转换增益大于13 d B,在8.3 k Hz～166 k Hz中频范围内噪声系数为12.5～17.5 d B。在Doppler模式下,转换增益可达16.9 d B,在10 Hz～1 k Hz中频处的噪声系数为15.2～33d B,IP1d B优于-14 d Bm,单个接收通道的功耗仅为44 m W。上述24 GHz短距雷达已完成流片,现在正在开展芯片测试工作,77 GHz雷达芯片已投片。组合两款覆盖长、中、短距探测的毫米波雷达,满足了自动驾驶对硬件的需求。