毫米波雷達前端系統設計

　　1 引 言

　　毫米波的工作頻率介于微波和光之間，毫米波雷達比微波雷達體積小、重量輕、波速窄、帶寬大、抗干擾能力強；比紅外或激光傳感器氣象適應性好，所以它是繼激光、紅外之后電磁頻譜利用中的一枝新秀。以前毫米波雷達的應用受到器件，尤其是有源器件功率不高的限制，使它難以在末制導以外的領(lǐng)域發(fā)揮作用。然而今非昔比，20世紀90年代第二階段的微波毫米波集成電路規劃取得重大突破后，大功率毫米波功率源、介質(zhì)天線(xiàn)、集成天線(xiàn)、低噪聲接收機芯片等相繼問(wèn)世，使毫米波雷達發(fā)生了更新?lián)Q代的變革，并且大大拓寬了它的應用領(lǐng)域。

　　2 毫米波雷達前端系統設計原理

　　利用偽隨機編碼信號良好的自相關(guān)特性，低距離副瓣，獲得高的測量精度和距離分辨率。同時(shí)利用正弦波調頻信號體制的回波信號功率為距離函數的特點(diǎn)來(lái)有效地抑制近區雜波干擾。圖1為采用偽隨機編碼調相和正弦波調頻這兩種連續波信號的復合調制體制框圖。

　　16 GHz高頻振蕩器產(chǎn)生16 GHz±10 MHz微波振蕩信號，經(jīng)正弦調制后信號送到調相器，進(jìn)行隨機編碼調相。調相后的信號通過(guò)功分器，一部分放大后由發(fā)射天線(xiàn)輻射出去，另一部分泄漏信號加到信號混頻器。經(jīng)天線(xiàn)輻射出去的射頻信號照射到目標后，目標反射的回波信號由天線(xiàn)接收，回波信號送到信號混頻器與泄漏信號混頻并濾除高頻信號，得到視頻信號。視頻信號放大后經(jīng)過(guò)數字信號處理就可以送到耳機從而直接監聽(tīng)目標運動(dòng)情況、速度和狀態(tài)。

　　如圖1所示，雷達前端系統的主要組成部分有振蕩器、0／π調相器、功率放大器以及混頻器。

　　2.1 介質(zhì)振蕩器

　　介質(zhì)振蕩器采用如圖2所示的GaAs場(chǎng)效應管介質(zhì)反饋型振蕩器。GaAs場(chǎng)效應管介質(zhì)反饋型振蕩器可以采用漏極輸出或源極輸出兩種方式，為了獲得盡可能大的輸出功率，選用漏極輸出、源極直接接地的形式。

　　通常選用的介質(zhì)振蕩器模式有TE01δ模、TM01δ模和HE11δ模，但在與微帶耦合時(shí)一般選用TE01δ模，因為其電磁場(chǎng)是圓對稱(chēng)的，與微帶耦合非常方便，而且振蕩模式穩定。本文選用圓柱形介質(zhì)諧振器，其直徑D=3.423 mm，高度h=2.28 mm。參數為：f=16 GHz，εr=40。實(shí)際電路中，在諧振器與微帶基片之間墊入一低介電常數、低損耗的介質(zhì)片，用來(lái)減少微帶基片和金屬接地板對諧振器Q值和溫度性能的影響。

　　2.2 0／π調相器

　　0／π 調相器采用開(kāi)關(guān)線(xiàn)調相器。開(kāi)關(guān)線(xiàn)調相器的電原理圖如圖3所示。L1，L2是兩條長(cháng)度不同的微帶傳輸線(xiàn)(或者是其他任意微波傳輸線(xiàn))，D1，D2，D3，D4是4只性能一致的PIN二極管。當兩邊二極管互補偏置時(shí)，二極管D1，D2導通時(shí)，D3，D4處在截止狀態(tài)，載頻信號經(jīng)L1 傳輸。反之，D1，D2截止時(shí)，D3，D4處在導通狀態(tài)，載頻信號經(jīng)L2傳輸。很顯然，由于L1和L2長(cháng)度不同，因而引起相移作用。

　　設較短的路徑為L(cháng)1，較長(cháng)的路徑為L(cháng)2。則調相相位為：

　　2.3 功率放大器

　　如圖1所示，介質(zhì)振蕩器產(chǎn)生16 GHz±10 MHz的振蕩信號為6～9 dBm，為了確保信號能傳輸取最小值進(jìn)行設計。6 dBm的信號經(jīng)過(guò)隔離器損耗1 dBm，又經(jīng)過(guò)0／π調相器損耗1 dBm，得到4 dBm的信號。4 dBm信號經(jīng)過(guò)3 dBm的功分器，進(jìn)入功率放大器的信號只剩下1 dBm，要得到17 dBm的發(fā)射信號，功率放大器至少要放大18 dBm左右。通過(guò)選擇適當的放大管子，設計一定的放大器電路，最終能達到設計所要求的性能指標。

　　2.4 信號混頻器

　　信號混頻器采用如圖4所示的雙平衡混頻器。

　　此電路的特點(diǎn)是本振和信號電壓分別通過(guò)平衡――不平衡變換器加到二極管上，這種變換器簡(jiǎn)稱(chēng)巴倫，用巴倫代替了定向耦合器及高低頻短路線(xiàn)等，展寬了工作頻帶。信號與本振功率分別通過(guò)巴倫加到二極管電橋的兩個(gè)對角線(xiàn)上。只要四只二極管性能完全相同，電橋保證平衡，則信號與本振端口之間就可以完全隔離。同時(shí)二極管電橋又為二極管提供了高低頻和直流通路。

　　這種混頻器具有如下的長(cháng)處：雙平衡混頻器隔離度高；動(dòng)態(tài)范圍大；雙平衡混頻器是寬帶混頻器。

　　3 結 語(yǔ)

　　經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的研究，已經(jīng)研制出了一個(gè)滿(mǎn)足要求毫米波雷達前端系統。該系統采用如圖1所示的毫米波雷達前端系統設計原理圖，工作頻率為16 GHz，在常溫下頻率偏移小于等于10 MHz，輸出功率Po≥45 mW，相位噪聲≤-70 dBc／Hz／10 kHz。0／π調相器在750 kHz對稱(chēng)方波下，常溫載波抑制≤-25 dB。