金劍，馮亞玲，時翔，耿慶博，郭依萍

（常州工學(xué)院，江蘇常州，213032)

智慧交通系統(tǒng)（Intelligent Transport Systems, ITS）將先進(jìn)的信息、計算機、數(shù)據(jù)通信、傳感器、電子控制技術(shù)等有效地綜合運用于整個交通服務(wù)，從而建立起來的一種大范圍、全方位發(fā)揮作用的實時、準(zhǔn)確、高效的運輸綜合管理系統(tǒng)，以解決日趨惡化的道路交通擁擠、交通事故和環(huán)境污染。作為ITS先進(jìn)傳感器技術(shù)之一的微波傳感器，具有體積小、全天候、精度高等工作特性，成為未來ITS領(lǐng)域的重要車載傳感器技術(shù)之一。

1 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

在ITS的道路智慧化應(yīng)用中，目前上海的外環(huán)線、上海南浦大橋、楊浦大橋、廣州高速公路、廈門蓮坂交叉口等多項智能交通業(yè)務(wù)中，已采用國產(chǎn)的微波交通雷達(dá)產(chǎn)品。

微波傳感器能夠在沙塵、煙霧等惡劣環(huán)境下，日夜工作，因而具有全天候的工作特性，這一點是現(xiàn)行光與視頻傳感器無法比擬的；微波傳感器具有更小的體積與重量、更利于大規(guī)模集成化生產(chǎn)等優(yōu)點；微波傳感器具有比聲、光、視頻傳感器更高的抗干擾能力，不僅能夠?qū)Ω鞣N物理干擾（震動、動物侵入、合法進(jìn)入等）進(jìn)行分類識別，而且不易受現(xiàn)代化的無線電波、電磁輻射等干擾，具有先進(jìn)性；此外，微波傳感器在無線感知目標(biāo)的同時，可以復(fù)合行使無線互聯(lián)的功能，更具有先進(jìn)性。

因此，本文以ITS應(yīng)用為背景，進(jìn)行微波傳感器的傳感與互聯(lián)技術(shù)研究，具有迫切的國家應(yīng)用需求。

2 微波智能傳感系統(tǒng)設(shè)計

基于自主微波/毫米波集成電路（MMIC）技術(shù)，進(jìn)行微波GaAs芯片的多芯片級連、層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計、垂直通孔互聯(lián)等低功耗、微波智能傳感系統(tǒng)設(shè)計。

微波智能傳感系統(tǒng)前端集成發(fā)射機/接收機，作為傳感器的核心器件，與微波天線（收發(fā)天線分置）進(jìn)行通孔連接。微波智能傳感系統(tǒng)工作體制為調(diào)頻連續(xù)波（FMCW），輸出包含目標(biāo)信息的回波信號，經(jīng)中頻電路濾波、放大、檢波后，進(jìn)入信號處理電路，進(jìn)行探測目標(biāo)的目標(biāo)識別。微波智能傳感系統(tǒng)收發(fā)前端由以下幾個模塊組成：微波天線為收發(fā)分置式，發(fā)射天線與接收天線的天線特性相同，且隔離度在-30dB以上；前端為射頻收發(fā)模塊，主要含微波振蕩器、功率放大器、混頻器等功能模塊；中頻電路為中頻濾波電路、中頻放大電路、檢波電路的模塊集成；信號處理電路通過單片機初級實現(xiàn)；PC機為數(shù)據(jù)的采集和信號處理程序的運行服務(wù)；最終全系統(tǒng)對侵入目標(biāo)進(jìn)行識別。

在微波智能傳感系統(tǒng)的設(shè)計中，按照天線層、射頻層和中頻信號處理層，進(jìn)行分層設(shè)計與制作，不僅能夠更好地適應(yīng)現(xiàn)代工藝生產(chǎn)，保證性能的一致性，而且在性能上具有良好的電磁兼容特性，抗干擾能力較強。微波智能傳感系統(tǒng)對目標(biāo)的探測如圖1所示。

圖1模擬車輛目標(biāo)的探測及其信號

3 微波智能互聯(lián)系統(tǒng)研制

微波智能互聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計框圖，如圖2所示。

圖2 微波互聯(lián)收發(fā)機設(shè)計框圖

本系統(tǒng)射頻前端載波頻率為24GHz，系統(tǒng)如果在室內(nèi)10m的距離內(nèi)實現(xiàn)大于100Mbps的通信速率，表1給出的鏈路預(yù)算，當(dāng)傳輸距離為10米時，信號平均發(fā)射功率為5 dBm（如果傳輸距離長，可以增大發(fā)射功率）。系統(tǒng)具有41.34 dB的鏈路余量，最小接收機靈敏度為-105.5 dBm。表1為系統(tǒng)通訊互聯(lián)進(jìn)行的鏈路預(yù)算表。

表1 鏈路預(yù)算表

系統(tǒng)發(fā)射模塊的電路結(jié)，包括射頻、中頻和基帶處理三個部分。為了與大多數(shù)商用基帶芯片兼容。考慮到級聯(lián)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)擴(kuò)展性能的需要，在級聯(lián)之間加入一個24GHz的開關(guān)；天線部分采用喇叭天線以獲得更大的增益。

系統(tǒng)接收模塊電路，包括射頻、中頻和基帶處理三個部分。其中射頻部分包含頻率源、混頻器、低噪聲放大器、天線四個部分。低噪聲放大器用于將接收的微弱信號放大，要求有較低的噪聲系數(shù)，由于單片低噪聲放大器增益有限，故采用兩片級聯(lián)的方式，為了避免級聯(lián)引起震蕩，在級聯(lián)時引入適量的衰減。中頻處理模塊將中頻信號通過I、Q兩路混頻到基帶處理部分，便于與商用基帶芯片互聯(lián)。

24GHz短距離無線通信演示系統(tǒng)通過將射頻前端與商用基帶模塊互聯(lián)，實現(xiàn)室內(nèi)、室外大于10Mbps的無線通信傳輸。24GHz點對點實驗演示系統(tǒng)中，兩個多媒體終端（臺式機）采用自主研發(fā)的24GHz射頻前端系統(tǒng)，結(jié)合商用基帶模塊，實現(xiàn)不小于10Mbps無線傳輸帶寬的高速信息傳輸。

4 結(jié)束語

用于智慧交通系統(tǒng)的微波智能系統(tǒng)，在應(yīng)用上，主要由三部分組成：位于車道固定安置的微波智能傳感與互聯(lián)系統(tǒng)對各車道的車流量進(jìn)行檢測，并對車型大小等作出識別與判斷，并通過探測與互聯(lián)一體化天線，實現(xiàn)對車輛的探測與信息數(shù)據(jù)的傳輸；位于各車輛的車載微波傳感與互聯(lián)系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳感防撞功能，而且能夠在近距離內(nèi)，實現(xiàn)車間的無線互聯(lián)通信；調(diào)度中心接收固定安置的微波傳感系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)，適時對道路交通情況進(jìn)行掌控和調(diào)度。進(jìn)行智慧交通系統(tǒng)應(yīng)用的微波智能傳感與互聯(lián)系統(tǒng)技術(shù)研究，能夠填補國內(nèi)技術(shù)空白，并在產(chǎn)品級微波傳感與互聯(lián)技術(shù)的推動下，帶動國內(nèi)相關(guān)微波芯片、器件、微系統(tǒng)前端等技術(shù)的自主發(fā)展。

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