毫米波雷达前端系统设计

1 引 言

毫米波的工作频率介于微波和光之间，毫米波雷达比微波雷达体积小、重量轻、波速窄、带宽大、抗干扰能力强；比红外或激光传感器气象适应性好，所以它是继激光、红外之后电磁频谱利用中的一枝新秀。以前毫米波雷达的应用受到器件，尤其是有源器件功率不高的限制，使它难以在末制导以外的领域发挥作用。然而今非昔比，20世纪90年代第二阶段的微波毫米波集成电路规划取得重大突破后，大功率毫米波功率源、介质天线、集成天线、低噪声接收机芯片等相继问世，使毫米波雷达发生了更新换代的变革，并且大大拓宽了它的应用领域。

2 毫米波雷达前端系统设计原理

利用伪随机编码信号良好的自相关特性，低距离副瓣，获得高的测量精度和距离分辨率。同时利用正弦波调频信号体制的回波信号功率为距离函数的特点来有效地抑制近区杂波干扰。图1为采用伪随机编码调相和正弦波调频这两种连续波信号的复合调制体制框图。

16 GHz高频振荡器产生16 GHz±10 MHz微波振荡信号，经正弦调制后信号送到调相器，进行随机编码调相。调相后的信号通过功分器，一部分放大后由发射天线辐射出去，另一部分泄漏信号加到信号混频器。经天线辐射出去的射频信号照射到目标后，目标反射的回波信号由天线接收，回波信号送到信号混频器与泄漏信号混频并滤除高频信号，得到视频信号。视频信号放大后经过数字信号处理就可以送到耳机从而直接监听目标运动情况、速度和状态。

如图1所示，雷达前端系统的主要组成部分有振荡器、0／π调相器、功率放大器以及混频器。

2.1 介质振荡器

介质振荡器采用如图2所示的GaAs场效应管介质反馈型振荡器。GaAs场效应管介质反馈型振荡器可以采用漏极输出或源极输出两种方式，为了获得尽可能大的输出功率，选用漏极输出、源极直接接地的形式。

通常选用的介质振荡器模式有TE01δ模、TM01δ模和HE11δ模，但在与微带耦合时一般选用TE01δ模，因为其电磁场是圆对称的，与微带耦合非常方便，而且振荡模式稳定。本文选用圆柱形介质谐振器，其直径D=3.423 mm，高度h=2.28 mm。参数为：f=16 GHz，εr=40。实际电路中，在谐振器与微带基片之间垫入一低介电常数、低损耗的介质片，用来减少微带基片和金属接地板对谐振器Q值和温度性能的影响。

2.2 0／π调相器

0／π 调相器采用开关线调相器。开关线调相器的电原理图如图3所示。L1，L2是两条长度不同的微带传输线(或者是其他任意微波传输线)，D1，D2，D3，D4是4只性能一致的PIN二极管。当两边二极管互补偏置时，二极管D1，D2导通时，D3，D4处在截止状态，载频信号经L1 传输。反之，D1，D2截止时，D3，D4处在导通状态，载频信号经L2传输。很显然，由于L1和L2长度不同，因而引起相移作用。

设较短的路径为L1，较长的路径为L2。则调相相位为：

2.3 功率放大器

如图1所示，介质振荡器产生16 GHz±10 MHz的振荡信号为6～9 dBm，为了确保信号能传输取最小值进行设计。6 dBm的信号经过隔离器损耗1 dBm，又经过0／π调相器损耗1 dBm，得到4 dBm的信号。4 dBm信号经过3 dBm的功分器，进入功率放大器的信号只剩下1 dBm，要得到17 dBm的发射信号，功率放大器至少要放大18 dBm左右。通过选择适当的放大管子，设计一定的放大器电路，最终能达到设计所要求的性能指标。

2.4 信号混频器

信号混频器采用如图4所示的双平衡混频器。

此电路的特点是本振和信号电压分别通过平衡——不平衡变换器加到二极管上，这种变换器简称巴伦，用巴伦代替了定向耦合器及高低频短路线等，展宽了工作频带。信号与本振功率分别通过巴伦加到二极管电桥的两个对角线上。只要四只二极管性能完全相同，电桥保证平衡，则信号与本振端口之间就可以完全隔离。同时二极管电桥又为二极管提供了高低频和直流通路。

这种混频器具有如下的长处：双平衡混频器隔离度高；动态范围大；双平衡混频器是宽带混频器。

3 结 语

经过长时间的研究，已经研制出了一个满足要求毫米波雷达前端系统。该系统采用如图1所示的毫米波雷达前端系统设计原理图，工作频率为16 GHz，在常温下频率偏移小于等于10 MHz，输出功率Po≥45 mW，相位噪声≤-70 dBc／Hz／10 kHz。0／π调相器在750 kHz对称方波下，常温载波抑制≤-25 dB。