毫米波雷達前端系統設計

1、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(guī)劃取得重大突破后，大功率毫米波功率源、介質天線、集成天線、低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

2、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(guī)劃取得重大突破后，大功率毫米波功率源、介質天線、集成天線、低噪聲接收機芯片等相繼問世，使毫米波雷達發(fā)生了更新換代的變革，并且大大拓寬了它的應用領域。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特性，低距離副瓣，獲得高的測量精度和距離分辨率。同時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來有效地抑制近區(qū)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(xù)波信號的復合調制體制框圖。16 GHz高頻

3、振蕩器產生16 GHz10 MHz微波振蕩信號，經正弦調制后信號送到調相器，進行隨機編碼調相。調相后的信號通過功分器，一部分放大后由發(fā)射天線輻射出去，另一部分泄漏信號加到信號混頻器。經天線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。視頻信號放大后經過數字信號處理就可以送到耳機從而直接監(jiān)聽目標運動情況、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調相器、功率放大器以及混頻器。2.1 介質振蕩器介質振蕩器采用如圖2所示的GaAs場效應管介質反饋型振蕩器。GaAs場效應管介質反饋型振蕩器可以采用漏極

4、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。通常選用的介質振蕩器模式有TE01模、TM01模和HE11模，但在與微帶耦合時一般選用TE01模，因為其電磁場是圓對稱的，與微帶耦合非常方便，而且振蕩模式穩(wěn)定。本文選用圓柱形介質諧振器，其直徑D=3.423 mm，高度h=2.28 mm。參數為：f=16 GHz，r=40。實際電路中，在諧振器與微帶基片之間墊入一低介電常數、低損耗的介質片，用來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調相器0 調相器采用開關線調相器。開關線調相器的電原理圖如圖3所示。L1，L2是兩條長度不同的微帶傳輸線

5、(或者是其他任意微波傳輸線)，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，二極管D1，D2導通時，D3，D4處在截止狀態(tài)，載頻信號經L1 傳輸。反之，D1，D2截止時，D3，D4處在導通狀態(tài)，載頻信號經L2傳輸。很顯然，由于L1和L2長度不同，因而引起相移作用。設較短的路徑為L1，較長的路徑為L2。則調相相位為：2.3 功率放大器如圖1所示，介質振蕩器產生16 GHz10 MHz的振蕩信號為69 dBm，為了確保信號能傳輸取最小值進行設計。6 dBm的信號經過隔離器損耗1 dBm，又經過0調相器損耗1 dBm，得到4 dBm的信號。4 dBm信號經過3 dBm的

6、功分器，進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。此電路的特點是本振和信號電壓分別通過平衡不平衡變換器加到二極管上，這種變換器簡稱巴倫，用巴倫代替了定向耦合器及高低頻短路線等，展寬了工作頻帶。信號與本振功率分別通過巴倫加到二極管電橋的兩個對角線上。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處：雙平衡混頻器隔離度高；動態(tài)范圍大；雙平衡混頻器是寬帶混頻器。3 結 語經過長時間的研究，已經研制出了一個滿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