K波段微型防撞雷達(dá)收發(fā)前端設(shè)計(jì)

陳勖 房麗娜

【摘要】 針對汽車安全問題，本文設(shè)計(jì)了一款適用于汽車防撞的微型防撞雷達(dá)收發(fā)前端。雷達(dá)收發(fā)前端包括微帶天線陣列，壓控振蕩器、混頻器等。為了減小體積，收發(fā)天線采用微帶陣列形式，壓控振蕩器采用簡單的共源級實(shí)現(xiàn)，混頻器采用二極管單平衡結(jié)構(gòu)。最后整個收發(fā)前端板面積僅為2.5cm*2.5cm，發(fā)射功率超過10dBm，滿足防撞系統(tǒng)的要求。

【關(guān)鍵詞】 防撞雷達(dá) 微帶天線 壓控振蕩器 混頻器

一、引言

當(dāng)今社會中汽車保有量迅猛增長，汽車所帶來的交通問題日趨嚴(yán)重，許多國家與各大汽車廠商都將車輛的安全問題看成是重要的民生問題，并積極地尋求高科技手段來增強(qiáng)車輛的安全、效率與舒適性從而減少事故以及傷亡的發(fā)生。汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)屬于智能交通的一個重要子課題，逐步成為研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。

目前包括超聲波、紅外線、毫米波等多種技術(shù)應(yīng)用在汽車防撞方面。由于調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)具有全天候、高分辨率探測等優(yōu)點(diǎn)，使得毫米波雷達(dá)從諸多雷達(dá)方案中脫穎而出，在汽車主動安全系統(tǒng)中起到關(guān)鍵作用[1。

微型防撞雷達(dá)收發(fā)前端包括收發(fā)天線、壓控振蕩器、混頻器、功分器及濾波器等。本文目的是要利用分立元件設(shè)計(jì)一款緊湊的K波段雷達(dá)收發(fā)前端，來滿足汽車防撞系統(tǒng)的需要。

二、雷達(dá)結(jié)構(gòu)

較之單天線結(jié)構(gòu)而言，雙天線結(jié)構(gòu)具有硬件簡單、收發(fā)隔離度好的特點(diǎn)，在收發(fā)信號強(qiáng)弱差別明顯的防撞雷達(dá)系統(tǒng)中，隔離度是很重要的指標(biāo)。前端電路全部在板級實(shí)現(xiàn)，包括壓控振蕩器，混頻器，功分器等，采用I&Q兩路輸出。I&Q兩路信號幅度相同，相位差90o，可識別物體的運(yùn)動方向。

壓控振蕩器作為振蕩源，輸出信號的頻率隨三角波調(diào)制信號的幅度線性變化，一部分功率經(jīng)功率放大器后由發(fā)射天線向空間輻射，另一部分經(jīng)過定向耦合器至混頻器作為混頻器的本振信號。發(fā)射信號在前進(jìn)過程中遇到目標(biāo)則部分能量被反射，由接收天線接收后進(jìn)入混頻器，混頻產(chǎn)生供后端處理的低頻信號。

前端電路和微帶天線的襯底材料均選用Rogers4350b板材，因?yàn)檫@種板材具有很好的微波特性，中間添加鋁板來保證抗壓性，這樣兩個襯底背對背直接粘貼后不易變形。

圖1 防撞雷達(dá)前端系統(tǒng)框圖

三、收發(fā)前端設(shè)計(jì)

3.1微帶天線陣列

微帶天線以其低剖面、小體積、輕重量、低成本、易于加工等優(yōu)點(diǎn)，成為微型防撞雷達(dá)的首選。但是單個微帶天線單元的增益和方向性很難達(dá)到要求，就需要構(gòu)建天線陣列來解決這些困難。微帶天線陣列主要由兩部分組成。第一部分是天線單元。第二部分是饋電網(wǎng)絡(luò)，如圖2a）、b）所示[2]。

圖2 a）天線單元 b） 饋電網(wǎng)絡(luò)

對于天線單元的尺寸，以工作頻率24GHz為基準(zhǔn)，來計(jì)算a和b的值。另外，一般天線單元輻射邊緣的諧振電阻約為100Ω～300Ω，而且隨著饋電沿輻射邊中點(diǎn)移向貼片中部，諧振電阻會呈余弦平方下降，考慮毫米波段高阻抗的微帶線很細(xì)，難以加工，故采用插入式饋電，以得到較好的匹配效果。

確定單元天線尺寸后，就需要設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)來組成天線陣列。饋電系統(tǒng)的作用就是盡可能降低衰減的傳輸能量，這就需要保證天線和饋電網(wǎng)絡(luò)之間的匹配。為此，設(shè)計(jì)采用屏蔽式饋線，以天線陣列和微帶電路背靠背設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。為了獲得高的效率和避免波束指向的變化，采用串并結(jié)合的饋電方式。天線的匹配網(wǎng)絡(luò)多采用四分之一波長阻抗匹配器組合得到，并考慮功率分配問題。

3.2壓控振蕩器

一定電路形態(tài)下的微波晶體管，無論是微波雙極晶體管或者場效應(yīng)晶體管，都可以看作是一個兩端口網(wǎng)絡(luò)，在某種合適的端接狀態(tài)下，就能形成振蕩。由于它們的振蕩機(jī)理也在于非線性負(fù)阻特性，故稱作雙端口負(fù)阻振蕩器。雙端口負(fù)阻的形成可以通過器件內(nèi)部極間電容的正反饋、外部電路的正反饋或內(nèi)外電路相結(jié)合的反饋網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)[3]。

本次設(shè)計(jì)選用了瑞薩公司生產(chǎn)的高頻微波器件—NE3514S02，這款器件工作頻率超過25GHz，具有低噪聲系數(shù)和高的電壓增益。由于MESFET需要通過輸入輸出耦合來獲得一定的負(fù)阻，通常微波晶體管壓控振蕩器有三種電路形式，共柵極、共源極和共漏極。這里選用共源極結(jié)構(gòu)來完成設(shè)計(jì)，如圖3所示，選擇這種結(jié)構(gòu)主要是可以獲得足夠的輸出功率，這樣避免在發(fā)射鏈路上增加微波功率放大器部件。

圖3 共源振蕩器原型

最后，為了保證振蕩功率最大限度地傳輸?shù)截?fù)載， 并盡可能地在一定帶寬范圍內(nèi)維持輸出功率的平坦度，在振蕩器的輸出鏈路上需要設(shè)計(jì)輸出匹配電路。一般情況下，振蕩器的負(fù)載固定為50Ω電阻，因此，匹配方法如圖4所示。

圖4輸出匹配框圖

3.3二極管混頻器

微波混頻器是微波系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊之一，廣泛應(yīng)用于微波通信、雷達(dá)、遙感、電子對抗及其他復(fù)雜的電子測量系統(tǒng)中。混頻器分為上混頻器和下混頻器。在發(fā)射端，通過采用上混頻器將信號變頻到高頻信號后再由天線發(fā)射出去；在接收端，必須先通過混頻器將接收到的微波信號變頻到中頻后才能進(jìn)行處理。

本次設(shè)計(jì)對鏡像抑制的要求不是很高，對雜波的處理可以轉(zhuǎn)移到后端數(shù)字端處理，但是需要電路結(jié)構(gòu)相對簡單。與FET、BJT相比，二極管不需要偏置，功耗低，開關(guān)速度快，因此二極管在微波混頻器結(jié)構(gòu)中使用普遍。另外，混頻器的好壞與雷達(dá)測速測距的精度關(guān)系密切。由于雷達(dá)回波信號微弱，這就要求混頻器具有低的變頻損耗，盡量小的非線性失真，更快的反應(yīng)靈敏度[4]。綜合上述分析，混頻器結(jié)構(gòu)采用二極管單平衡結(jié)構(gòu)來完成設(shè)計(jì)，如圖5所示。二極管選用了Infineon公司的（BAT24-02LS型）肖特基勢壘二極管作為非線性混頻器件。

圖5環(huán)形混頻器電路示意圖

四、結(jié)論

針對汽車安全問題，本文設(shè)計(jì)了一款微型防撞雷達(dá)收發(fā)前端。收發(fā)前端包括壓控振蕩器、混頻器、微帶陣列天線等。由于壓控振蕩器所產(chǎn)生的輸出功率達(dá)到12.1dBm，陣列天線增益最大為10.21dB，則無需增加功率放大器，因此，整個收發(fā)前端板面積僅為2.5cm*2.5cm。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Xu Feng， Wang ZhengXin， et al. Design of K-Band Transmitter for Anti-Collision Radar Applications[C]. International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology 2012， 1： 1-4.

[2] 崔斌， 喻筱靜， 錢蓉等. 毫米波雷達(dá)四元微帶雙天線陣的研制[J]. 微波學(xué)報(bào)， 2007， 23：1-5.

[3] Chen Xu， Meng Fanyu， Xu Feng， et al. Design of Radar VCO for Intelligent Transportation[C]. International Conference on E-Product E-Service and E-Entertainment 2010， 1：1-4.

[4] S.A.Maas. Microwave mixers 2nd[M]. Norwood， MA： Artech House， 1993.