Ghz车载雷达原理与设计大报告

(4-2)

其中，Si为输入额定信号的功率；Ni为输入额定噪声的功率（Ni=kT0Bn，Bn为接收机的噪声带宽）；Si为输出额定信号的功率；Ni为输出额定噪声的功率。

噪声系数表征接收机内的噪声状况，有确定的物理含义：它表示因为接收机内部噪声的影响，接收机输出端的信噪比相对于输入端的信噪比变差的倍数。当F0=1时达到最小噪声，即接收机内部没有噪声，显然这是理想状况。噪声系数只适用于接收机检波部分以前的部分，此部分电路为线性电路或准线性电路。

接收机通常由多级有源电路组成，这就需要考虑多个单元级联的情况，如图4.2所示。

图4.2噪声级联

n级电路级联是接收机的总噪声系数为：

(4-3)

式中，Fn指第n级的噪声系数，Gn指n级的放大增益。由上式可知，各级的噪声系数小，额定增益高便能保证系统具有低的总噪声系数。各级内部的噪声对总噪声的影响并不相同，主要取决于最前面几级，这使得低噪放在接收电路中具有很大的作用，通常采用高增益的低噪放并保证低噪放前级的无源电路插损尽量小。 4.2.2灵敏度

接收机的灵敏度表征其接收信号的能力，接收机有越高的灵敏度，它便能够接收到越弱的信号，同样决定了雷达作用距离越远。接收信号的强度通常用功率来衡量，接收机的灵敏度用其能够辨别的最小信号的功率Smin来表示，如果信号功率值小于此值，表示信号不能被检测出来。

通过式（4-3）可推得

(4-4)

式中，

为接收机输入端的额定噪声功率，进一步可知：

(4-5)

为保证雷达虚警率满足条件，通常需要接收机的中频输出的信噪比满足相应的要求，可检测的最小输入功率对应中频输出的信噪比的关系为：

(4-6)

可以用M表示，即通常所说的“识别系数”，灵敏度又可以写为：

(4-7)

M=1时的灵敏度被称为“临界灵敏度”，方便比较噪声系数F0与带宽Bn对灵敏度的影

响，此时式（4-7）可表示为：

(4-8)

将kT0的值代入上式，便可得到近似的计算公式：

(4-9)

接收机的灵敏度主要受到噪声电平的限制，想要提高灵敏度就需要减小噪声电平。首先，是外部的干扰（噪声），因为许多雷达的接收机前端都含有低噪放，这就突出了在接收机输入端噪声大小的重要，这个噪音电平决定于天线的噪声温度及其有效的噪声增益或损失。其次，是接收机内部的噪声，主要由接收机的电阻、谐振回路等有损耗的元件产生的热噪声以及电子管晶体管等有源器件产生的各种噪声组成。减小这类噪声需要对中频放大器进行匹配滤波以取得最大的输出信噪比，还需要选取高增益的低噪放。 4.2.3增益与动态范围

增益为接收机对信号回波的放大能力，可以表示为：

(4-10)

由上可知增益是输出信号功率与输入信号功率的比值。接收机通常会按照系统指标的规定确定其增益大小。

动态范围代表了接收机将接收信号按预期处理的信号强度范围，通常认为本底噪声为动态范围最低值，而动态范围的最大值由理想响应的允许误差以及信号类型决定。现代雷达系统越来越依靠紧跟着数字信号处理的线性接收机，它提供了较高灵活性和近乎理想的信号检测参数。以前的各种限制和对数接收机方法被用来执行各种信号处理功能，这种接收机必须定义一个相对于理想的非线性响应来说可以允许的误差输出范围。包括具有增益形式在内接收机的必须区分瞬时动态范围和总动态范围的区别,总动态范围实现增益控制后的瞬时动态范围变化结果。

无杂散动态范围（SpuriousFreeDynamicRange，SFDR）

无杂散动态范围是信号的最大电平与接收机内部产生的最大杂散信号电平的比值，通常用分贝(dB)表示。这个参数是由多种因素决定的,包括混频器互调，A/D转换器的性能和许多其他的路径影响，导致不必要的信号被耦合进接收机信号。 互调失真（IntermodulationDistortion，IMD） 互调失真是一个非线性的过程，来源于输入基本信号频率的线性组合。二阶和三阶互调是最常见，所以需要接受双音的接收机指标中通常特地的标明二阶和三阶的交调截点。这个交调截点的理想选择为交调产物与输入基本信号能量相等的点。 4.2.4信号带宽

瞬时带宽是指元器件可以高准确性的同时处理两个或两个以上的信号的频率范围。当瞬时带宽这一术语被用作雷达接收机参数，它指的便是出现在接收机系统里的射频滤波器、中频滤波器、视频滤波器和数字滤波器等等的带宽参数。

当雷达接收机采用拉伸方式的信号处理时，射频处理带宽明显大于中频带宽。因此，瞬时带宽这一术语让人很困惑，所以通过使用射频带宽，本振线性调频带宽和中频带宽这些术语以区分不同的带宽。调谐范围是指一个元器件无需采取任何措施就能够正常工作的频带。调谐通常是指适应本地振荡器频率和射频滤波器的指标，在此基础上的调谐带宽通常被称为雷达的操作带宽。现代雷达中，信号波形的时间-带宽积往往大于1，此时接收机的带宽需要与限号的频谱范围相匹配。 4.3车载雷达接收组件设计与测试 4.3.1接收机形式选择与指标设定

由4.1节中的介绍可知，零中频接收机镜像干扰问题较低，并且镜像干扰滤波器在集成芯片片内完成，电路结构简单，用于24GHz车载雷达体系，易于接收机的小型化，其低成本、功耗小，具有显着优势。所以计划采用此种类型的接收机系统。

由雷达原理可知，接收机指标的设定与雷达方程有关，由式（4-1），可以推得接收机灵敏度：

? (4-11)

式（4-11）的计算结果说明接收机的灵敏度小于-76.976dBm时，发射的信号才能被检测出来。

将车载雷达的指标要求设定如下：工作频率：24GHz~24.5GHz；基带信号带宽：1MHz；灵敏度：-90dBm 4.3.2器件选择

依据指标要求和发射组件形式，选择了ums（unitedmonolithicsemiconductors）公司的CHR2421-QEG芯片。CHR2421-QEG芯片是K波段的单片集成双通道的接收机芯片，其组成框图如图4.3所示，封装如图4.4所示。

图4-3CHR2421-QEG组成框图

CHR2421-QEG芯片包括低噪放和可以产生从直流到1MHz基带信号的混频器，这些器件都集成的，适用于传感器和宽带微波毫米波系统。芯片通过pHEMT工艺制成，24管脚，并采用无铅封装。

其基本工作频率为23.75GHz~24.5GHz，典型输出功率为15dBm，本振输入信号为0~8dBm，在1MHz带宽时噪声系数为7dB，22dB线性增益，5V供电。其中射频输入端为几级低噪放级联的放大电路，然后为混频器，用以与本振信号产生基带信号。

其中前级的放大电路是由多级低噪放模块级联而来，如图4.5所示，其噪声系数参数如图4.6所示。由图可知，室温下22GHz~26GHz频率范围内其噪声系数都在2.5dB以下，增益如图4.7所示为26dB左右，由公式（4-9）可知，噪声系数越小，同样带宽的接收机的灵敏度越高，这个噪声系数足以满足指标要求。

图4-4低噪放级联框图

图4-5前级低噪放噪声性能图4-6低噪放增益

接收芯片中含有混频器所以转换增益Gc是一个重要参数，转换增益Gc随着温度和频率变化的关系如图4.8所示。可见在同一温度条件下较宽的频带内转换增益Gc的值是一个变化不大的值，室温25°C下在22dB左右。

图4-7转换增益Gc随温度变化

CHR2421-QEG芯片管脚分布如图4.9所示，俯视芯片圆圈处即1管脚，管脚排布按照俯视图的逆时针顺序排列，直至24管脚，中心处为25管脚。

图4-9管脚分布 4.3.3设计与仿真

由于接收系统需要用到发射组件的一路射频信号作为本振信号进行混频，所以这里没有给出单独的测试板，而只针对其结构作出仿真预算。

在ADS中建立如图4.10所示的模型，仿真其中一条射频链路。模型中的各元件参数按照芯片给定的指标进行设定，其中前级低噪放的噪声系数为2.5dBm，增益为26dB，混频器变频增益为22dB，基带信号滤波器带宽为1M，设射频端输入功率为-90dBm。

图4-10接收系统仿真

计算所得的结果如图4.11所示。由图可知系统噪声大约为5.6dB，按照公式（4-9）计算可知：

(4-12)

小于式（4-11）中雷达方程计算的结果，所以此系统的灵敏度是符合设计要求的。基带信号滤波与放大不包含在CHR2421-QEG芯片中，实际测试时只测量到混频器的输出端，由计算结果可知在输入-90dBm时，混频器输出端的功率大约在-38dBm，此计算结果可用来与实际测试值进行比较。

(a) 接收机链路仿真结果 (b) 接收机系统仿真结果 图4-11接收机链路仿真结果

524GHz天线的设计

5.1天线的选择

车载移动天线的总体要求具有宽的工作频带、大的波束宽度，同时保证结构简单、重量轻，以满足体积小易于与伺服系统集成等要求。

总体说来车载毫米波防撞雷达天线具有以下几点要求：

(1)具有好的方向性。给驾驶员提供足够的驾驶信息，避免碰撞擦伤等事故。 (2)由于车体平行于地面，所以一般车载天线采用垂直极化或圆极化。

(3)作为车载雷达天线，需要低俯仰角高增益，越大的增益往往意味着同等发射功率的情况下雷达的作用距离越远，所以高增益与低副瓣仍然是必要的设计目标。

(4)体积小、容易制造、易于和T/R组件结合也是车载天线的必要要求。一般情况下车身上没有足够大的位置可以随便布局，另外制造成本也是民用车载雷达发展必须考虑的问题。 5.2微带天线理论

微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（称为介质基片）和用印刷电路或微波集成技术覆盖在它的两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板一片称为接地板，而尺寸可以和波长相比拟的另一片称为辐射元，辐射元的形状可以是方形、矩形、圆形和椭圆形等等。

微带天线的馈电方式分为两种，一种是侧面馈电，即馈电网络与辐射元刻制在同一表面；另一种是底馈，即以同轴线的外导体直接与接地板相接，内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。

图5-1微带天线

微带天线的主要特点有：体积小、重量轻、低剖面，因此容易做到与高速飞行器共形，且电性能多样化，尤其是容易和有源器件、微波电路集成为统一组件，因而适合大规模生产。在现在通信中，微带天线广泛地应用与100MHz到50GHz的频率范围。

微带天线单元的增益一般只有6-8dBm。微带阵列天线的产生解决了大增益及方向性的要求，微带阵列通常有多个微带辐射单元组成，组阵方式通常分为线阵与面阵两类。微带辐射元的方向图可由等效磁流元的辐射场获得。微带辐射元的辐射能够等效成二元缝阵的辐射，缝上有均匀的等效磁流。

图5-2微带辐射元

微带辐射元的辐射场可表示为：