武青華，崔恒榮，孫朋飛，孫　蕓，孫曉瑋*

（1.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海200050；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)研究生院，北京100049）

Ka波段小型化FMCW雷達(dá)低中頻信號(hào)處理技術(shù)研究*

武青華1，2，崔恒榮1，孫朋飛1，2，孫蕓1，孫曉瑋1*

（1.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海200050；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)研究生院，北京100049）

為了顯著降低FMCW雷達(dá)后端數(shù)字信號(hào)處理電路的電路面積與電路成本，提出了低中頻的設(shè)計(jì)思路，利用頻譜搬移技術(shù)對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行下變頻處理，使目標(biāo)信號(hào)頻率在20 kHz以下，相比直接對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行處理，A/D采樣率得到減小，對(duì)3.5 m處的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果得到目標(biāo)頻率從160 kHz有效的降低到了10 kHz，驗(yàn)證了低中頻方法的可行性，滿足小型化低成本雷達(dá)應(yīng)用需求。

毫米波；信號(hào)處理；頻譜搬移；低中頻

近年來(lái)，隨著毫米波芯片（MMIC）設(shè)計(jì)的不斷成熟，毫米波技術(shù)在雷達(dá)探測(cè)、電子對(duì)抗、高速通信等方面得到了極大的發(fā)展與廣泛的應(yīng)用［1，2］。尤其是毫米波雷達(dá)研究的不斷成熟，使其可以應(yīng)用在汽車防撞、液位檢測(cè)、安全防衛(wèi)等方面［3-5］。由于毫米波沿自由空間傳播時(shí)受到大氣環(huán)境的制約，不同頻段對(duì)應(yīng)不同的傳播衰減，在Ka波段、W波段頻譜附近對(duì)應(yīng)的傳輸衰減出現(xiàn)極小值，適合應(yīng)用于雷達(dá)探測(cè)［6-8］。

本文搭建Ka波段FMCW雷達(dá)前端，并提出一種低中頻的FMCW雷達(dá)信號(hào)處理方法，利用頻譜搬移技術(shù)，使得到的目標(biāo)信號(hào)頻率在20 kHz以下，并對(duì)3.5 m處的目標(biāo)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，測(cè)試結(jié)果有效地證明了低中頻方法的可行性，滿足了小型化雷達(dá)的應(yīng)用需求。

1　FMCW雷達(dá)測(cè)距原理及前端架構(gòu)

1.1FMCW雷達(dá)測(cè)距原理

FMCW雷達(dá)利用三角波對(duì)壓控振蕩器進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)功分器得到兩路信號(hào)，一路信號(hào)作為發(fā)射，另一路信號(hào)直接輸入混頻器與目標(biāo)反射信號(hào)進(jìn)行混頻，得到頻率較低的中頻信號(hào)，回波的中頻信號(hào)中包含有目標(biāo)的距離信息與速度信息，在經(jīng)過(guò)信號(hào)處理既可以獲得目標(biāo)的有關(guān)信息［9-10］，本文主要針對(duì)中頻信號(hào)中的距離信息進(jìn)行提取與處理。如圖1所示，反射信號(hào)與發(fā)射信號(hào)形狀相同，只是在時(shí)間上延時(shí)Δt，Δt與目標(biāo)距離的關(guān)系可以表示為Δt= 2R/c，R表示目標(biāo)物體的距離，c為電磁波傳播速度，ΔF表示VCO的調(diào)制帶寬，fi表示距離信息對(duì)應(yīng)的中頻頻率，根據(jù)三角形相似關(guān)系，可以得到距離R的計(jì)算公式表示如下

圖1FMCW雷達(dá)測(cè)距原理

1.2Ka波段雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)

Ka波段雷達(dá)前端設(shè)計(jì)采用微帶結(jié)構(gòu)與單片毫米波芯片（MMIC）混合集成技術(shù)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，收發(fā)天線采用單喇叭天線實(shí)現(xiàn)，利用極化隔離實(shí)現(xiàn)天線的接收與發(fā)射，已達(dá)到對(duì)系統(tǒng)小型化的要求。

選用Hittite公司的VCO實(shí)現(xiàn)8.5 GHz本振頻率，Ka波段混頻器、四倍頻器與放大器均為實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的芯片。為了減少電路損耗，選擇低損耗正切角的Rogers 5880集成3塊芯片，通過(guò)微帶與波導(dǎo)的過(guò)渡結(jié)構(gòu)連接喇叭天線。

圖2　Ka波段雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)框圖

2　低中頻信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

2.1低中頻測(cè)距原理

根據(jù)式（1）可得，不同的目標(biāo)距離，對(duì)應(yīng)不同的中頻信號(hào)，距離信息對(duì)應(yīng)的中頻信號(hào)在100 kHz到1 MHz之間，為了減小對(duì)后續(xù)處理電路的性能要求，降低成本，提出了低中頻信號(hào)處理方法，具體電路實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。中頻信號(hào)首先通過(guò)高Q值的低噪聲放大濾波電路，對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行高選擇性的提取，而后通過(guò)頻譜搬移電路，有效的降低距離信息對(duì)應(yīng)的中頻信號(hào)頻率，最后通過(guò)放大濾波電路輸出信號(hào)到DSP進(jìn)行后續(xù)處理。

針對(duì)不同距離的目標(biāo)，各個(gè)模塊電路的參數(shù)設(shè)置也各不相同。如圖3所示，fi表示距離信息對(duì)應(yīng)的中頻頻率，fmove表示倍頻單元得到的信號(hào)頻率，此時(shí)fIF=fi-fmove得到頻譜搬移后對(duì)應(yīng)的距離頻率。調(diào)節(jié)后續(xù)的增益控制單元，進(jìn)一步的放大信號(hào)，提高信噪比，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，即可以得到頻譜搬移后距離信息對(duì)應(yīng)的中頻頻率。根據(jù)此頻率fIF，反推得到不同距離對(duì)應(yīng)的不同信號(hào)頻率fi。

圖3　低中頻信號(hào)處理系統(tǒng)框圖

2.2低中頻電路實(shí)現(xiàn)

如圖3所示，射頻前端接收的信號(hào)首先通過(guò)一個(gè)可調(diào)的高Q值低噪聲放大濾波電路，不同距離對(duì)應(yīng)著不同的濾波頻率。為了對(duì)距離信息進(jìn)行向下的頻譜搬移，更進(jìn)一步降低距離信息對(duì)應(yīng)的頻率，在不引入額外頻率分量的基礎(chǔ)上，選擇對(duì)三角波頻率進(jìn)行倍頻得到fmove。利用Texas Instruments公司的鎖相環(huán)芯片CD4046B與2-10進(jìn)制BCD編碼芯片CD40102實(shí)現(xiàn)倍頻功能，具體電路連接如圖4所示，空余管腳按照芯片要求與功能需要接高電平或者低電平，同時(shí)通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)控制CD40102芯片J0到J7的輸入，不同的探測(cè)距離對(duì)應(yīng)不同的fmove，靈活地選擇頻率倍數(shù)，得到不同的fmove。

CD4046B鎖相環(huán)的工作原理是利用輸出頻率與VCO的振蕩頻率不斷的進(jìn)行比較，調(diào)整VCO的振蕩頻率，使其相近，同時(shí)進(jìn)行相位比較，保證兩者的相位差為一個(gè)定值，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)相位鎖定，從而得到穩(wěn)定的輸出頻率。由于CD4046B內(nèi)部采用的是RC型壓控振蕩器，所以需要外接R1和C1一同構(gòu)成充放電回路，同時(shí)外接電阻R2對(duì)輸入信號(hào)的頻率帶寬做跟蹤。通過(guò)使電容C1的充電電流與CD4046芯片9腳輸入的控制電壓成正比，使VCO的振蕩頻率也正比于該控制電壓。當(dāng)信號(hào)從CD4046B芯片14腳（SIGIN）輸入后，通過(guò)芯片內(nèi)部的比較電路，經(jīng)過(guò)外接R3、R4和C2構(gòu)成的濾波電路，得到控制電壓反饋到芯片的9腳（VCOIN），從而與3腳（COMPIN）處的頻率進(jìn)行比較。電路中把時(shí)鐘信號(hào)作為輸出信號(hào)，根據(jù)J0～J7不同的編碼得到不同的CLK分頻信號(hào)，作為CD4046B的比較信號(hào)，從而在CD4046芯片4腳（VCO OUT）處得到倍頻信號(hào)作為輸出。

圖4　倍頻電路芯片連接圖

為了節(jié)省電路面積減小電路成本，選用三極管搭建混頻電路?；祛l器一端輸入為fi，另一端的輸入為通過(guò)倍頻電路產(chǎn)生fmove，經(jīng)過(guò)選頻網(wǎng)絡(luò)得到二者頻率之差的信號(hào)fIF，最后對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的放大濾波處理，得到頻譜搬移后的低中頻距離信號(hào)。圖5所示為數(shù)字倍頻電路與混頻電路級(jí)聯(lián)測(cè)試結(jié)果，測(cè)試中調(diào)整撥碼開(kāi)關(guān)得到三角波倍頻頻率200 kHz，混頻器一端輸入220 kHz正弦信號(hào)，可以看到圖中包絡(luò)為20 kHz，通過(guò)包絡(luò)檢波與濾波放大即可以得到頻譜搬移后的低中頻信號(hào)。

根據(jù)混頻電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試分析，距離信息的中頻信號(hào)fi經(jīng)過(guò)頻譜搬移后可以有效的降低到20 kHz以下，極大程度了降低了對(duì)后續(xù)DSP處理電路的性能要求，減小電路成本。

3　測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1Ka波段雷達(dá)前端測(cè)試結(jié)果

制備的Ka波段雷達(dá)系統(tǒng)如圖6所示，射頻前端包括壓控振蕩器（VCO）、功分器、混頻器與低噪聲放大器，具體性能參數(shù)如表1所示。

圖6　Ka-band雷達(dá)制備實(shí)物圖

表1　Ka波段雷達(dá)射頻前端測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)雷達(dá)發(fā)射支路的測(cè)試，得到VCO的調(diào)節(jié)帶寬，測(cè)試結(jié)果如圖7所示，調(diào)節(jié)電壓從0 V到3 V變化時(shí)，射頻鏈路的輸出頻率從34.9 GHz變化到了39.5 GHz，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，選擇輸出頻率線性度最好的頻段作為調(diào)制帶寬，根據(jù)此，設(shè)計(jì)三角波調(diào)制信號(hào)選擇在1.0 V到1.6 V之間。

圖7VCO線性度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)射頻前端的測(cè)試結(jié)果，發(fā)射功率為12 dBm，輸出功率為-10 dBm，對(duì)于被測(cè)目標(biāo)距離大于10 m后，由于空間衰減增大，目標(biāo)反射下變頻后的差頻信號(hào)已經(jīng)非常微弱，信噪比很低，根據(jù)實(shí)際測(cè)試，制備的Ka波段雷達(dá)最遠(yuǎn)測(cè)試距離為10 m。

3.2低中頻信號(hào)處理測(cè)試結(jié)果

利用制備的Ka波段FMCW雷達(dá)與設(shè)計(jì)的低中頻信號(hào)處理電路，搭建FMCW雷達(dá)測(cè)試環(huán)境如圖8所示，利用角反射器模擬被測(cè)目標(biāo)。根據(jù)VCO頻譜線性度的測(cè)量，三角波信號(hào)設(shè)置為Voffset=1.2 V，Vpp= 200m V。

圖8FMCW雷達(dá)測(cè)試環(huán)境照片

對(duì)3.5 m處的固定目標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，選擇25 kHz三角波作為調(diào)制頻率，有效的避開(kāi)FMCW距離信號(hào)頻率與頻譜搬移得到的低中頻信號(hào)頻率。通過(guò)三角波對(duì)VCO進(jìn)行調(diào)制后，中頻信號(hào)輸出通過(guò)高選擇性的前級(jí)放大濾波電路，由于三角波信號(hào)的泄露，得到的目標(biāo)信號(hào)為以三角波調(diào)制頻率為包絡(luò)的正弦信號(hào)，如圖9所示。

圖9　載有距離信息的前級(jí)放大結(jié)果

在后續(xù)處理電路不僅要提取距離信號(hào)還要對(duì)泄露的三角波信號(hào)進(jìn)行抑制。根據(jù)式（1）得到距離為3.5 m對(duì)應(yīng)的頻率為160 kHz，在頻譜搬移電路中，選擇三角波頻率進(jìn)行6倍頻處理得到fmove=150 kHz，通過(guò)混頻電路與后級(jí)放大濾波電路，得到10 kHz附近的低中頻距離信息。如圖10（a）、10（b）所示，圖10（b）所示為經(jīng)過(guò)傅里葉變換得到的頻域信息，有效的提取出低中頻所對(duì)應(yīng)的距離信息，同時(shí)可以觀察到泄露的三角波得到有效的抑制。

圖10　低中頻信號(hào)處理后的測(cè)試結(jié)果

3.3結(jié)果分析

根據(jù)圖10（b）可得fIF=10 kHz，倍頻電路設(shè)計(jì)得到fmove=6×25 kHz=150 kHz，由fi=fIF+fmove可以計(jì)算得到3.5 m處目標(biāo)對(duì)應(yīng)的中頻頻率為160 kHz，與理論計(jì)算結(jié)果相一致。由于制備的雷達(dá)可測(cè)最遠(yuǎn)距離為10 m，根據(jù)式（1）計(jì)算可得，此時(shí)距離信息對(duì)應(yīng)的中頻頻率為460 kHz，調(diào)整放大濾波單元中心頻率與通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)得到不同的頻率倍數(shù)，即可以完成10 m處距離信號(hào)的頻譜搬移。對(duì)于更遠(yuǎn)的目標(biāo)探測(cè)，增加雷達(dá)發(fā)射功率，提高中頻信號(hào)信噪比，低中頻信號(hào)處理方法同樣適用。

表2列出了直接信號(hào)處理與低中頻信號(hào)處理主要電路參數(shù)，可以得到經(jīng)過(guò)頻譜搬移后，降低了后續(xù)電路的A/D采樣率與DSP運(yùn)算速度，減小了電路面積與成本，可以有效的滿足小型化低成本的雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用需求。

表2　低中頻信號(hào)處理與直接處理電路對(duì)比

4　結(jié)論

本文提出了一種基于FMCW雷達(dá)低中頻的信號(hào)處理方法，可以有效的降低后續(xù)處理電路的采樣頻率與電路成本，通過(guò)對(duì)3.5 m處的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，使原有的目標(biāo)信號(hào)從160 kHz降低到了10 kHz，成功驗(yàn)證了信號(hào)處理方法的可行性與正確性，為后續(xù)DSP信號(hào)處理奠定了良好的基礎(chǔ)。提出的信號(hào)處理電路不僅適用于Ka波段雷達(dá)，也可以應(yīng)用于其他波段雷達(dá)，滿足小型化低成本的雷達(dá)應(yīng)用需求。

［1］程知群，張勝，李進(jìn)，等.寬帶無(wú)線通信射頻收發(fā)前端設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2010，33（2）：186-188.

［2］Reinhard Feger，Clemens Pfeffer，Werner Scheiblhofer，et al.A 77-GHz Cooperative Radar System Based on Multi-Channel FMCW Stations for Local Positioning Applications［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2013，61（1）：676-684.

［3］Clemens Pfeffer，Reinhard Feger，Christoph Wagner，et al.FMCW MIMO Radar System for Frequency-Division Multiple TX-Beamforming［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2013，61（22）：4262-4274.

［4］呂文倩，吳亮，孫曉瑋，等.K波段小型化收發(fā)前端的研制［J］.電子器件，2013，36（5）：623-626.

［5］Lü Qinyi，Ye Dexin，Shan Qiao，et al.High Dynamic-Range Motion Imaging Based on Linearized Doppler Radar Sensor［J］. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2013，62（9）：1837-1846.

［6］崔恒榮，王偉，孫蕓，等.60 GHz微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其在通信集成前端中的應(yīng)用［J］.電子器件，2012，35（5）：509-513.

［7］Shou-Hsien Weng，Hong-Yeh Chang，Pei-Si Wu，et al.A Ka-Band Monolithic Bidirectional Up-Down Converter for High-Speed Applications［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2014，62（3）：610-622.

［8］Carlos Gahete Arias，Mariano Baquero Escudero，Alejandro Valero Nogueira，et al.Test-Fixture for Suspended-Strip Gap-Waveguide Technology on Ka-Band［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2013，23（6）：321-323.

［9］Axel Strobel，Christian Carlowitz，Robert Wolf，et al.A Millimeter-Wave Low-Power Active Backscatter Tag for FMCW Radar Systems［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2013，61（5）：1964-1972.

［10］Isar Mostafanezhad，Olga Boric-Lubecke.Benefits of Coherent Low-IF for Vital Signs Monitoring Using Doppler Radar［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2014，62（10）：2481-2487.

武青華（1991-），男，山西忻州人，漢族，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，碩士研究生，研究方向?yàn)樯漕l/毫米波集成電路設(shè)計(jì)，wuqh@mail.sim.ac.cn；

孫曉瑋（1958-），女，陜西西安人，漢族，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，研究員，博士研究生，研究方向?yàn)樯漕l/毫米波器件單片集成電路及其相關(guān)毫米波雷達(dá)探測(cè)器等，xwsun@mail.sim.ac.cn。

Design of Low-IF Signal Processing Technique for Ka-Band Compact FMCW Radar*

WU Qinghua1，2，CUI Hengrong1，SUN Pengfei1，2，SUN Yun1，SUN Xiaowei1*
（1.Shanghai Institute of Micro-system and Information Technology，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200050，China；2.Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

For decrease the circuit size and cost of signal processing circuits，the low-intermediate frequency（IF）signal processing method is proposed that using the spectrum moving technique makes the frequency of the target under 20 kHz and reduces the A/D sampling rate.Test results of the target at 3.5 m obtain the distance frequency reduction from 160 kHz to 10 kHz that verifies the proposed low-IF signal processing method can meet the miniaturized and low-cost radars application.

Millimeter-wave；signal processing；spectrum move；low-IF

TN957.5

A

1005-9490（2016）05-1113-05

項(xiàng)目來(lái)源：中科院方向性項(xiàng)目（KGF2D-125-14-013）

2015-10-27修改日期：2015-11-17

EEACC:6140；631010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.019