毫米波雷達(dá)前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引 言

毫米波|0">毫米波的工作頻率介于微波和光之間，毫米波雷達(dá)比微波雷達(dá)體積小、重量輕、波速窄、帶寬大、抗干擾能力強(qiáng)；比紅外或激光傳感器氣象適應(yīng)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(dá)的應(yīng)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(dǎo)以外的領(lǐng)域發(fā)揮作用。然而今非昔比，20世紀(jì)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(zhì)天線、集成天線、低噪聲接收機(jī)芯片等相繼問世，使毫米波雷達(dá)發(fā)生了更新?lián)Q代的變革，并且大大拓寬了它的應(yīng)用領(lǐng)域。

2 毫米波雷達(dá)前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

利用偽隨機(jī)編碼信號(hào)良好的自相關(guān)特性，低距離副瓣，獲得高的測(cè)量精度和距離分辨率。同時(shí)利用正弦波調(diào)頻信號(hào)體制的回波信號(hào)功率為距離函數(shù)的特點(diǎn)來有效地抑制近區(qū)雜波干擾。圖1為采用偽隨機(jī)編碼調(diào)相和正弦波調(diào)頻這兩種連續(xù)波信號(hào)的復(fù)合調(diào)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(hào)，經(jīng)正弦調(diào)制后信號(hào)送到調(diào)相器，進(jìn)行隨機(jī)編碼調(diào)相。調(diào)相后的信號(hào)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(hào)加到信號(hào)混頻器。經(jīng)天線輻射出去的射頻信號(hào)照射到目標(biāo)后，目標(biāo)反射的回波信號(hào)由天線接收，回波信號(hào)送到信號(hào)混頻器與泄漏信號(hào)混頻并濾除高頻信號(hào)，得到視頻信號(hào)。視頻信號(hào)放大后經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理就可以送到耳機(jī)從而直接監(jiān)聽目標(biāo)運(yùn)動(dòng)情況、速度和狀態(tài)。

如圖1所示，雷達(dá)前端系統(tǒng)的主要組成部分有振蕩器、0／π調(diào)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(yīng)管介質(zhì)反饋型振蕩器。GaAs場(chǎng)效應(yīng)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?yàn)槠潆姶艌?chǎng)是圓對(duì)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(zhì)諧振器，其直徑D=3.423 mm，高度h=2.28 mm。參數(shù)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(shù)、低損耗的介質(zhì)片，用來減少微帶基片和金屬接地板對(duì)諧振器Q值和溫度性能的影響。

2.2 0／π調(diào)相器

0／π 調(diào)相器采用開關(guān)線調(diào)相器。開關(guān)線調(diào)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(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(dāng)兩邊二極管互補(bǔ)偏置時(shí)，二極管D1，D2導(dǎo)通時(shí)，D3，D4處在截止?fàn)顟B(tài)，載頻信號(hào)經(jīng)L1 傳輸。反之，D1，D2截止時(shí)，D3，D4處在導(dǎo)通狀態(tài)，載頻信號(hào)經(jīng)L2傳輸。很顯然，由于L1和L2長度不同，因而引起相移作用。

設(shè)較短的路徑為L1，較長的路徑為L2。則調(diào)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(hào)為6～9 dBm，為了確保信號(hào)能傳輸取最小值進(jìn)行設(shè)計(jì)。6 dBm的信號(hào)經(jīng)過隔離器損耗1 dBm，又經(jīng)過0／π調(diào)相器損耗1 dBm，得到4 dBm的信號(hào)。4 dBm信號(hào)經(jīng)過3 dBm的功分器，進(jìn)入功率放大器的信號(hào)只剩下1 dBm，要得到17 dBm的發(fā)射信號(hào)，功率放大器至少要放大18 dBm左右。通過選擇適當(dāng)?shù)姆糯蠊茏?，設(shè)計(jì)一定的放大器電路，最終能達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的性能指標(biāo)。

2.4 信號(hào)混頻器

信號(hào)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(hào)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(hào)與本振功率分別通過巴倫加到二極管電橋的兩個(gè)對(duì)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(hào)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(jié) 語

經(jīng)過長時(shí)間的研究，已經(jīng)研制出了一個(gè)滿足要求毫米波雷達(dá)前端系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用如圖1所示的毫米波雷達(dá)前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diào)相器在750 kHz對(duì)稱方波下，常溫載波抑制≤-25 dB。