陳?ài)? 房麗娜

【摘要】 針對(duì)汽車(chē)安全問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款適用于汽車(chē)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(jiǎn)單的共源級(jí)實(shí)現(xiàn)，混頻器采用二極管單平衡結(jié)構(gòu)。最后整個(gè)收發(fā)前端板面積僅為2.5cm*2.5cm，發(fā)射功率超過(guò)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(huì)中汽車(chē)保有量迅猛增長(zhǎng)，汽車(chē)所帶來(lái)的交通問(wèn)題日趨嚴(yán)重，許多國(guó)家與各大汽車(chē)廠商都將車(chē)輛的安全問(wèn)題看成是重要的民生問(wèn)題，并積極地尋求高科技手段來(lái)增強(qiáng)車(chē)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(chē)防撞雷達(dá)系統(tǒng)屬于智能交通的一個(gè)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(chē)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(cè)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(chē)主動(dòng)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(lái)滿足汽車(chē)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(jiǎn)單、收發(fā)隔離度好的特點(diǎn)，在收發(fā)信號(hào)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(jí)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(hào)幅度相同，相位差90o，可識(shí)別物體的運(yùn)動(dòng)方向。

壓控振蕩器作為振蕩源，輸出信號(hào)的頻率隨三角波調(diào)制信號(hào)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(guò)定向耦合器至混頻器作為混頻器的本振信號(hào)。發(fā)射信號(hào)在前進(jìn)過(guò)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(hào)。

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(lái)保證抗壓性，這樣兩個(gè)襯底背對(duì)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(gè)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(lái)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(duì)于天線單元的尺寸，以工作頻率24GHz為基準(zhǔn)，來(lái)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(huì)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(lái)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(lái)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(zhǎng)阻抗匹配器組合得到，并考慮功率分配問(wèn)題。

3.2壓控振蕩器

一定電路形態(tài)下的微波晶體管，無(wú)論是微波雙極晶體管或者場(chǎng)效應(yīng)晶體管，都可以看作是一個(gè)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(chēng)作雙端口負(fù)阻振蕩器。雙端口負(fù)阻的形成可以通過(guò)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(lái)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(guò)25GHz，具有低噪聲系數(shù)和高的電壓增益。由于MESFET需要通過(guò)輸入輸出耦合來(lái)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(lái)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(duì)抗及其他復(fù)雜的電子測(cè)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(guò)采用上混頻器將信號(hào)變頻到高頻信號(hào)后再由天線發(fā)射出去；在接收端，必須先通過(guò)混頻器將接收到的微波信號(hào)變頻到中頻后才能進(jìn)行處理。

本次設(shè)計(jì)對(duì)鏡像抑制的要求不是很高，對(duì)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(duì)簡(jiǎn)單。與FET、BJT相比，二極管不需要偏置，功耗低，開(kāi)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(cè)速測(cè)距的精度關(guān)系密切。由于雷達(dá)回波信號(hào)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(lái)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(shì)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(duì)汽車(chē)安全問(wèn)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(wú)需增加功率放大器，因此，整個(gè)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(qián)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.