K波段測(cè)速雷達(dá)前端的設(shè)計(jì)

郭俊棟，李仲林

(中國(guó)科學(xué)院 電子學(xué)研究所，　北京 100190)

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K波段測(cè)速雷達(dá)前端的設(shè)計(jì)

郭俊棟，李仲林

(中國(guó)科學(xué)院 電子學(xué)研究所，北京 100190)

摘要：介紹了一種工作于K波段的測(cè)速雷達(dá)前端。該前端發(fā)射一個(gè)點(diǎn)頻連續(xù)波信號(hào)，將接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)進(jìn)行混頻后輸出兩路相互正交的中頻信號(hào)。通過(guò)對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理就可以計(jì)算出物體的速度和運(yùn)動(dòng)方向。該前端采用了微波單片集成壓控振蕩器(VCO)產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)，并對(duì)VCO的調(diào)諧電壓產(chǎn)生電路及中頻信號(hào)的放大電路進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。該前端還采用了微帶陣列天線作為收發(fā)天線，使結(jié)構(gòu)緊湊，適用于便攜式測(cè)速雷達(dá)。

關(guān)鍵詞：K波段；測(cè)速雷達(dá)；前端

0引言

隨著交通路網(wǎng)的高速發(fā)展以及汽車數(shù)量的井噴式增長(zhǎng)，發(fā)生交通事故的風(fēng)險(xiǎn)也在不斷增加，而超速是引起交通事故及人員傷亡的首要原因[1-2]。測(cè)速雷達(dá)已廣泛應(yīng)用于測(cè)速卡口管理、超速抓拍系統(tǒng)以及移動(dòng)電子警察等交通智能管控系統(tǒng)中，并逐漸成為智能交通管理系統(tǒng)的核心傳感器。實(shí)現(xiàn)測(cè)速有多種形式，如：激光測(cè)速、脈沖多普勒測(cè)速、連續(xù)波測(cè)速等。其中，連續(xù)波測(cè)速又分為點(diǎn)頻連續(xù)波測(cè)速和調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距測(cè)速。激光測(cè)速雷達(dá)受天氣影響較大，如遇大霧、雨雪、沙塵等天氣，其效能會(huì)大大降低；脈沖多普勒測(cè)速一般應(yīng)用于單脈沖測(cè)量雷達(dá)，要求具有較高的測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性，其實(shí)現(xiàn)也較復(fù)雜[3]；點(diǎn)頻連續(xù)波測(cè)速雷達(dá)利用多普勒頻移實(shí)現(xiàn)測(cè)速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合單純的測(cè)速應(yīng)用；調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)既可以實(shí)現(xiàn)測(cè)速又能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)距，但是比點(diǎn)頻測(cè)速雷達(dá)在硬件及信號(hào)處理上都要復(fù)雜得多[4-5]。上述四種除激光測(cè)速雷達(dá)外都屬于微波測(cè)速雷達(dá)，其優(yōu)點(diǎn)是可以全天候工作，不受天氣、環(huán)境等因素的影響。本文主要針對(duì)點(diǎn)頻測(cè)速雷達(dá)前端模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。測(cè)速雷達(dá)前端是微波測(cè)速雷達(dá)的核心部件之一，它完成信號(hào)的產(chǎn)生、發(fā)射、接收、變頻及預(yù)處理功能，處理后的低頻信號(hào)經(jīng)模數(shù)采樣和數(shù)字信號(hào)處理就可以得到目標(biāo)的速度。

1測(cè)速原理

微波測(cè)速雷達(dá)利用多普勒效應(yīng)，通過(guò)測(cè)定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)引起的多普勒頻率來(lái)推算目標(biāo)車輛的速度。多普勒效應(yīng)的原理是：當(dāng)某一固定頻率的信號(hào)遇到運(yùn)動(dòng)物體后產(chǎn)生反射時(shí)，反射信號(hào)的頻率會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閬?lái)向時(shí)，反射信號(hào)的頻率會(huì)變大；當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)方向?yàn)槿ハ驎r(shí)，反射信號(hào)的頻率會(huì)變小。反射信號(hào)頻率和發(fā)射信號(hào)頻率之差即為多普勒頻率。多普勒頻率的計(jì)算公式如下[6-7]

(1)

式中：fd為多普勒頻率，單位為Hz；f0為發(fā)射信號(hào)頻率，單位為Hz；v為目標(biāo)車輛速度，單位為m/s；α為行車方向與雷達(dá)波束方向之間的夾角；c0=3×108m/s，為電磁波傳播速度。

由式(1)可知，f0、c0、α均為已知量，fd、v為未知量，只要測(cè)出fd，目標(biāo)速度v就可以通過(guò)下式計(jì)算出來(lái)

(2)

式(2)中的多普勒頻率fd一般通過(guò)將發(fā)射頻率和接收頻率進(jìn)行混頻得到。如果將發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)通過(guò)正交變頻得到兩路頻率相同、相位正交的多普勒信號(hào)，則還可以通過(guò)兩路多普勒信號(hào)之間的相位關(guān)系判斷目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向。其理論依據(jù)如下：

為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，不考慮信號(hào)幅度和初始相位，設(shè)測(cè)速雷達(dá)前端發(fā)射信號(hào)為ST，則

ST=cosω0t

(3)

式中：ω0為發(fā)射信號(hào)頻率；t為時(shí)間。當(dāng)物體遠(yuǎn)離前端運(yùn)動(dòng)時(shí)，多普勒頻率ωd為負(fù)。設(shè)回波信號(hào)為SRA，則

SRA=cos(ω0-ωd)t

(4)

當(dāng)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行正交混頻時(shí)，設(shè)I路、Q路的本振信號(hào)分別為SLO_I和SLO_Q，則

SLO_I=cosω0t

(5)

(6)

設(shè)混頻后的中頻I路、Q路信號(hào)分別為SIF_I和SIF_Q，則

SIF_I=cosω0tcos(ω0-ωd)t=

(7)

SIF_Q=sinω0tcos(ω0-ωd)t=

(8)

濾除高頻分量后，最終得到的中頻信號(hào)為

(9)

(10)

當(dāng)物體靠近前端運(yùn)動(dòng)時(shí)，多普勒頻率為正，設(shè)回波信號(hào)為SRB，則

SRB=cos(ω0+ωd)t

(11)

混頻后的中頻I路、Q路信號(hào)分別為

SIF_I=cosω0tcos(ω0+ωd)t=

(12)

SIF_Q=sinω0tcos(ω0+ωd)t=

(13)

濾除高頻分量后，最終得到的中頻信號(hào)為

(14)

(15)

這樣，通過(guò)判斷I、Q兩路相位的超前、滯后關(guān)系，就可以知道運(yùn)動(dòng)物體是來(lái)向還是去向。

2指標(biāo)要求

根據(jù)測(cè)速雷達(dá)整機(jī)要求，雷達(dá)前端的主要技術(shù)指標(biāo)要求如下：

1)工作頻率：24.15 GHz±15 MHz

2)發(fā)射機(jī)輸出功率：≥10 dBm

3)天線增益：≥20 dBi

4)方位向波束寬度：5°

5)旁瓣抑制：≥15 dB

3設(shè)計(jì)方案

測(cè)速雷達(dá)前端主要完成信號(hào)的產(chǎn)生、發(fā)射、接收、變頻及放大功能，它主要由信號(hào)收發(fā)板和天線組成。其中，信號(hào)收發(fā)板通過(guò)壓控振蕩器(VCO)產(chǎn)生點(diǎn)頻正弦波信號(hào)，經(jīng)功分、放大后，一路通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射出去，一路送至混頻器的本振端。發(fā)射信號(hào)被目標(biāo)車輛反射后回波被前端的接收天線接收，與本振信號(hào)在正交混頻器中進(jìn)行混頻，混頻后輸出相互正交的I、Q兩路多普勒頻率信號(hào)。I、Q信號(hào)由放大電路進(jìn)行放大，送至后級(jí)電路進(jìn)行采樣和數(shù)字信號(hào)處理。測(cè)速雷達(dá)前端的工作原理如圖1所示[8-9]。

圖1　測(cè)速雷達(dá)前端工作原理圖

4工程實(shí)現(xiàn)

4.1信號(hào)收發(fā)板

信號(hào)收發(fā)板主要由信號(hào)發(fā)射部分和信號(hào)接收部分組成。

信號(hào)發(fā)射部分主要采用UMS公司的VCO芯片CHV2421來(lái)完成。該芯片集成了VCO、倍頻器、功分器、放大器，可以直接輸出兩路頻率、信號(hào)均相同的K波段頻率信號(hào)，一路用作發(fā)射信號(hào)，一路用作接收本振。為了壓縮成本及簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，本方案沒(méi)有使用鎖相環(huán)電路，而是直接在VCO調(diào)諧端施加調(diào)諧電壓。根據(jù)指標(biāo)要求，輸出頻率為24.15 GHz±15 MHz，即需要保證調(diào)諧電壓的變化使得輸出頻率不超過(guò)24.135 GHz～24.165 GHz的范圍。經(jīng)測(cè)試，在24.15 GHz附近調(diào)諧電壓與輸出頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1　調(diào)諧電壓與輸出頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系測(cè)試結(jié)果

由表1可知，VCO在24.15 GHz附近的調(diào)諧靈敏度約為500 MHz/V，調(diào)諧電壓值應(yīng)在1.406 V附近，且疊加上紋波后電壓變化范圍應(yīng)限制在1.376 V～1.438 V。

調(diào)諧電壓的產(chǎn)生由電池(12 V)通過(guò)線性穩(wěn)壓器得到+5 V，再通過(guò)穩(wěn)壓、分壓及濾波電路得到所需的調(diào)諧電壓，電路原理圖如圖2所示。

圖2　VCO調(diào)諧電壓產(chǎn)生電路

圖2中，R1為限流電阻，D1為穩(wěn)壓二極管，標(biāo)稱穩(wěn)壓值為2 V，實(shí)測(cè)為2.042 V，通過(guò)R2和R3組成的分壓網(wǎng)絡(luò)得到所需的調(diào)諧電壓值。R2取100Ω固定值，R3為0 kΩ～1 kΩ電位器，調(diào)整電位器的阻值得到所需調(diào)諧電壓。C1取10 μF，用于濾除電源低頻噪聲；C2取10 nF，必須靠近芯片管腳放置，用于濾除電源高頻噪聲。經(jīng)上述電路處理后調(diào)諧電壓的穩(wěn)定性完全滿足要求，實(shí)際的調(diào)諧電壓值及輸出信號(hào)頻率范圍如下：

1)調(diào)諧電壓：1.406 V

2)電壓紋波：25 mV

3)輸出頻率：24.15 GHz±6 MHz

信號(hào)接收部分主要由混頻器和中頻放大電路組成。其中，混頻器采用了Hittite公司的HMC524正交混頻器芯片，輸出兩路正交的中頻信號(hào)。中頻放大電路采用反向比例放大電路對(duì)混頻器輸出的I、Q信號(hào)進(jìn)行放大，電路如圖3所示[10]。

圖3　中頻放大器

圖3中，運(yùn)放的同相輸入端施加一個(gè)2.5 V的直流偏置電平，放大后的信號(hào)會(huì)是以2.5 V為參考零點(diǎn)的正弦波，這樣可以充分利用運(yùn)放的輸出電壓范圍(0 V～5 V)，避免信號(hào)出現(xiàn)失真。Cb為隔直電容，防止直流電壓串回混頻器輸出端造成混頻器燒毀。

4.2天線

測(cè)速雷達(dá)前端的收發(fā)天線采用微帶陣列天線，發(fā)射天線和接收天線性能指標(biāo)相同，結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立，但做在同一塊印制板上。天線的饋電采用同軸背饋方式。天線和信號(hào)收發(fā)板背靠背安裝在鋁合金背板上，由中心帶探針的聚四氟乙烯介質(zhì)柱穿過(guò)鋁合金背板，探針兩端分別連接天線和信號(hào)收發(fā)板的饋電點(diǎn)。

5測(cè)試結(jié)果

對(duì)研制完成的測(cè)速雷達(dá)前端技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，包括輸出頻率、輸出功率、天線增益、波束寬度等，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，測(cè)試結(jié)果如下：

1)輸出頻率：24.15 GHz±6 MHz

2)輸出功率：12 dBm

3)天線增益：23 dBi

4)方位向波束寬度：5°

5)旁瓣抑制：23 dB

用研制完成的測(cè)速雷達(dá)前端對(duì)實(shí)際運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行照射，在示波器上觀察I、Q輸出信號(hào)波形，如圖4、圖5所示。圖4中物體遠(yuǎn)離前端運(yùn)動(dòng)， I路超前Q路90°；圖5中物體靠近前端運(yùn)動(dòng)， I路滯后Q路90°。

圖4　照射去向物體輸出信號(hào)波形

圖5　照射來(lái)向物體輸出信號(hào)波形

6結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種K波段測(cè)速雷達(dá)前端的設(shè)計(jì)方案。闡述了多普勒測(cè)速的原理，并根據(jù)整機(jī)指標(biāo)要求確定了測(cè)速雷達(dá)前端的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。選用高集成度VCO芯片實(shí)現(xiàn)了發(fā)射信號(hào)及本振信號(hào)的產(chǎn)生，并對(duì)調(diào)諧電壓產(chǎn)生電路和中頻信號(hào)放大電路進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。采用了微帶貼片天線及同軸背饋方式，使得前端在體積、質(zhì)量方面都實(shí)現(xiàn)小型化。最終研制完成的測(cè)速雷達(dá)前端各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，并進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)動(dòng)物體照射試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：前端輸出中頻波形質(zhì)量良好，且通過(guò)兩路正交信號(hào)的相位關(guān)系可以清楚地辨識(shí)物體的運(yùn)動(dòng)方向。

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郭俊棟男，1982年生，助理研究員。研究方向?yàn)槔走_(dá)收發(fā)系統(tǒng)。

李仲林男，1984年生，助理研究員。研究方向?yàn)槲炀€技術(shù)。

Design of a K-band Speed-measuring Radar Front End

GUO Jundong，LI Zhonglin

(Institute of Electronics, Chinese Academy of Science,Beijing 100190, China)

Abstract：A speed-measuring radar front end working in K-band is introduced. This front end transmits a single frequency continual wave signal, then mixes the received signal and the transmitted signal to output two ways of intermediate frequency signals. The speed and moving direction of the object can be calculated by sampling and processing the intermediate frequency signals. This front end also uses microwave monolithic integrated voltage controlled oscillator to generate the transmitting signal, and its tuning voltage generating circuit and the intermediate frequency signal amplifier circuit are carefully designed. This front end uses microstrip array antenna as transmitting and receiving antenna,which makes it compact and can be applied to portable speed-measuring radars.

Key words：K-band; speed-measuring radar; front end

收稿日期：2015-07-21

修訂日期：2015-09-29

通信作者：郭俊棟Email：jdguo04@163.com

中圖分類號(hào)：TN957

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-7859(2015)11-0069-04