K波段微型防撞雷达收发前端设计

【摘要】 针对汽车安全问题，本文设计了一款适用于汽车防撞的微型防撞雷达收发前端。雷达收发前端包括微带天线阵列，压控振荡器、混频器等。为了减小体积，收发天线采用微带阵列形式，压控振荡器采用简单的共源级实现，混频器采用二极管衡结构。最后整个收发前端板面积仅为2.5cm*2.5cm，发射功率超过10dBm，满足防撞系统的要求。

【关键词】 防撞雷达 微带天线 压控振荡器 混频器

一、引言

当今社会中汽车保有量迅猛增长，汽车所带来的交通问题日趋严重，许多国家与各大汽车厂商都将车辆的安全问题看成是重要的民生问题，并积极地寻求高科技手段来增强车辆的安全、效率与舒适性从而减少事故以及伤亡的发生。汽车防撞雷达系统属于智能交通的一个重要子课题，逐步成为研究人员关注的热点。

目前包括超声波、红外线、毫米波等多种技术应用在汽车防撞方面。由于调频连续波（FMCW）雷达具有全天候、高分辨率探测等优点，使得毫米波雷达从诸多雷达方案中脱颖而出，在汽车主动安全系统中起到关键作用[1。

微型防撞雷达收发前端包括收发天线、压控振荡器、混频器、功分器及滤波器等。本文目的是要利用分立元件设计一款紧凑的K波段雷达收发前端，来满足汽车防撞系统的需要。

二、雷达结构

较之单天线结构而言，双天线结构具有硬件简单、收发隔离度好的特点，在收发信号强弱差别明显的防撞雷达系统中，隔离度是很重要的指标。前端电路全部在板级实现，包括压控振荡器，混频器，功分器等，采用I&Q两路输出。I&Q两路信号幅度相同，相位差90o，可识别物体的运动方向。

压控振荡器作为振荡源，输出信号的频率随三角波调制信号的幅度线性变化，一部分功率经功率放大器后由发射天线向空间辐射，另一部分经过定向耦合器至混频器作为混频器的本振信号。发射信号在前进过程中遇到目标则部分能量被反射，由接收天线接收后进入混频器，混频产生供后端处理的低频信号。

前端电路和微带天线的衬底材料均选用Rogers4350b板材，因为这种板材具有很好的微波特性，中间添加铝板来保证抗压性，这样两个衬底背对背直接粘贴后不易变形。

图1 防撞雷达前端系统框图

三、收发前端设计

3.1微带天线阵列

微带天线以其低剖面、小体积、轻重量、低成本、易于加工等优点，成为微型防撞雷达的首选。但是单个微带天线单元的增益和方向性很难达到要求，就需要构建天线阵列来解决这些困难。微带天线阵列主要由两部分组成。第一部分是天线单元。第二部分是馈电网络，如图2a）、b）所示[2]。

图2 a）天线单元 b） 馈电网络

对于天线单元的尺寸，以工作频率24GHz为基准，来计算a和b的值。另外，一般天线单元辐射边缘的谐振电阻约为100Ω～300Ω，而且随着馈电沿辐射边中点移向贴片中部，谐振电阻会呈余弦平方下降，考虑毫米波段高阻抗的微带线很细，难以加工，故采用插入式馈电，以得到较好的匹配效果。

确定单元天线尺寸后，就需要设计馈电网络来组成天线阵列。馈电系统的作用就是尽可能降低衰减的传输能量，这就需要保证天线和馈电网络之间的匹配。为此，设计采用屏蔽式馈线，以天线阵列和微带电路背靠背设计结构来实现。为了获得高的效率和避免波束指向的变化，采用串并结合的馈电方式。天线的匹配网络多采用四分之一波长阻抗匹配器组合得到，并考虑功率分配问题。

3.2压控振荡器

一定电路形态下的微波晶体管，无论是微波双极晶体管或者场效应晶体管，都可以看作是一个两端口网络，在某种合适的端接状态下，就能形成振荡。由于它们的振荡机理也在于非线性负阻特性，故称作双端口负阻振荡器。双端口负阻的形成可以通过器件内部极间电容的正反馈、外部电路的正反馈或内外电路相结合的反馈网络来实现[3]。

本次设计选用了瑞萨公司生产的高频微波器件―NE3514S02，这款器件工作频率超过25GHz，具有低噪声系数和高的电压增益。由于MESFET需要通过输入输出耦合来获得一定的负阻，通常微波晶体管压控振荡器有三种电路形式，共栅极、共源极和共漏极。这里选用共源极结构来完成设计，如图3所示，选择这种结构主要是可以获得足够的输出功率，这样避免在发射链路上增加微波功率放大器部件。

图3 共源振荡器原型

最后，为了保证振荡功率最大限度地传输到负载， 并尽可能地在一定带宽范围内维持输出功率的平坦度，在振荡器的输出链路上需要设计输出匹配电路。一般情况下，振荡器的负载固定为50Ω电阻，因此，匹配方法如图4所示。

图4输出匹配框图

3.3二极管混频器

微波混频器是微波系统中的关键模块之一，广泛应用于微波通信、雷达、遥感、电子对抗及其他复杂的电子测量系统中。混频器分为上混频器和下混频器。在发射端，通过采用上混频器将信号变频到高频信号后再由天线发射出去；在接收端，必须先通过混频器将接收到的微波信号变频到中频后才能进行处理。

本次设计对镜像抑制的要求不是很高，对杂波的处理可以转移到后端数字端处理，但是需要电路结构相对简单。与FET、BJT相比，二极管不需要偏置，功耗低，开关速度快，因此二极管在微波混频器结构中使用普遍。另外，混频器的好坏与雷达测速测距的精度关系密切。由于雷达回波信号微弱，这就要求混频器具有低的变频损耗，尽量小的非线性失真，更快的反应灵敏度[4]。综合上述分析，混频器结构采用二极管衡结构来完成设计，如图5所示。二极管选用了Infineon公司的（BAT24-02LS型）肖特基势垒二极管作为非线性混频器件。

图5环形混频器电路示意图

四、结论

针对汽车安全问题，本文设计了一款微型防撞雷达收发前端。收发前端包括压控振荡器、混频器、微带阵列天线等。由于压控振荡器所产生的输出功率达到12.1dBm，阵列天线增益最大为10.21dB，则无需增加功率放大器，因此，整个收发前端板面积仅为2.5cm*2.5cm。

参 考 文 献

[1] Xu Feng， Wang ZhengXin， et al. Design of K-Band Transmitter for Anti-Collision Radar Applications[C]. International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology 2012， 1： 1-4.

[2] 崔斌， 喻筱静， 钱蓉等. 毫米波雷达四元微带双天线阵的研制[J]. 微波学报， 2007， 23：1-5.

[3] Chen Xu， Meng Fanyu， Xu Feng， et al. Design of Radar VCO for Intelligent Transportation[C]. International Conference on E-Product E-Service and E-Entertainment 2010， 1：1-4.

[4] S.A.Maas. Microwave mixers 2nd[M]. Norwood， MA： Artech House， 1993.