24Ghz车载雷达原理和设计大报告 - 图文

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2 雷达系统原理与方案

2.1工作原理

毫米波雷达的工作体制主要有脉冲体制和调频连续波（FMCW）体制。 调频连续波雷达其基本原理是首先产生一个频率连续变化的波，一小部分的波束信号被用作参考信号，另外一大部分波束信号被天线辐射出去。 发射信号在传播过程中假如遇到目标则局部反射，反射回来的信号被接收天线接收并与参考波束进行混频，从而产生一个差频信号， 后期的信号处理电路便可从中频信号中提取出目标的距离速度等讯息。调频连续波雷达系统框图如图 2-1 所示。

图2-1调频连续波雷达系统框图

脉冲雷达框图如图 2-2 所示，其测距时由于重复频率高会产生测距模糊，为了辨别模糊就需要对周期辐射的脉冲信号加上某些可以识别的标志，调频脉冲串就是一种方法。 脉冲频率调制(PFM)方法一般被用来测距， 脉冲频率调制(PFM)的调制信号频率随输入信号的幅值变化， 而占空比不变。 因为调制信号常常为频率变化的方波信号，所以 PFM 也称为方波 FM。

图2-2 脉冲雷达框图

2.2 FMCW体制

2.2.1 调频连续波测距

FMCW雷达系统的发射机产生连续高频等幅波，一般采用三角波进行调制，使其频率在时间上按照三角形规律变化。无线电波传播过程中遇到目标发生反射，接收天线接收到回波信号，在这段时间内，发射机的频率较回波频率己经发生变化，将发射机直接耦合的信号与接收天线接收到的目标回波通过接收机的混频器，输出差频信号，通过对差频信号的测量可

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以计算出目标的距离。

图2-3 静止目标下三角波调制FMCW雷达工作原理

目标距离R和中频信号频率 的关系式：

2.2.2调频连续波测速

当反射回波来自运动目标时，相对速度造成了多普勒频移，使中频信号的频率相对于静止时有所升高或降低，包含了距离与速度的信息。

图2-4 运动目标下三角波调制FMCW雷达工作原理

设目标距离为R，相对径向速度为v的运动目标产生的多普勒频率为 ，设三角波上升沿和下降沿输出中频信号频率分别是 和 ， 为发射信号波长可得：

其中：

目标靠近时v的符号位正，目标远离时v的符号为负。

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（ ）

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2.2.3调频连续波测角

扫频天线的测角原理如图2-5。天线的波束随着频率的变化摇头，当天线的波束指向被测物体，会产生一个功率大的反射波。通过计算，可以得到被测物体的角度。

图2-5 天线测角原理

2.3脉冲体制

脉冲多普勒雷达是利用信号频域特性分辨和检测目标的脉冲雷达。目标和干扰物相对于雷达的径向速度不同，回波信号也有不同的多普勒频率。可用频域过滤的方法选出目标的多

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普勒频率谱线，滤除干扰杂波的谱线，使雷达从强杂波中分离和检测出目标信号。

两者优缺点比较如下：

表2-1 FMCW体制与脉冲体制对比 工作原理 FMCW体制 通过发射频率调制的连续波信号从回波信号提取目标距离和速度信息 使用环合器、混合接头方法使发射机和接收机隔离 可测量近至数米的距离 测量精确度较高 体制结构简单，调制方便 体积小，重量轻 缺点 难以同时测量多个目标 脉冲体制 利用信号频域特性分辨和检测目标 优点 时间分割方法 共用天线 收发距离高 距离分辨率高 雷达信号发射之后收发开关的有限恢复时间使得近距离目标不能被检测 距离分辨率与实际最大探测距离存在矛盾 收发之间隔离度较差 发射功率有限制 发射机噪声影响接收机灵敏度 综上，FMCW是在连续波雷达的基础上发展起来的，同时又具备了许多连续波和脉冲雷达所不具有的特点，一般汽车雷达系统倾向于采用结构简单，成本较低，适合做近距离探测

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的连续波雷达体制。

2.4简单的射频系统方案

这里以车载雷达系统方案为例，一般都会采用FMCW体制。

图2-6 基本雷达系统框图

一个完整的雷达系统主要包括如图2-6的几个部分：发射机、接收机、信道与噪声等，对应实际中的微波组件即发射组件、接收组件、天线与射频源。

3发射链路设计

3.1 发射链路设计方案

论文所设计的发射链路主要包括三个部分：压控振荡器、功率放大器、功率分配器。其中，压控振荡器通过调谐电压产生调频连续波信号，功率放大器把发射信号放大到所需要的功率范围，功率分配器将输出功率分为两路：一路作为本振信号输入混频器，另一路作为发射信号由天线发出。发射链路设计框图如图3-1所示。

图3-1 发射链路框图

3.2 压控振荡器的设计

振荡器是将直流电源能量转化成交流能量的电路，为了在没有外部输入信号的情况下产生自我维持的输出振荡信号，振荡器自身需要有正反馈和足够的增益，用来克服反馈路径上的损耗，同时需要具备选频网络。影响振荡器性能的主要指标包括振荡频率、振荡幅度、线性度和相位噪声等。

论文需要产生中心频率24.5GHz，带宽500MHz的调频信号，调制信号为频率1kHz的三角波信号。这里以Hittite公司生产的HMC739LP4E芯片为例，这是一款异质结双极晶体管单片微波集成电路，将谐振器、负阻元件、可变电容二极管一体化，具有很好的相位噪声性能。表3-1给出了芯片手册所提供的主要性能参数。

表3-1 HMC739LP4E芯片主要参数(VCC=+5V，T=25℃)

参数名称 频率范围 输出功率 3 最小值 典型值 23.8-26.8 14 最大值 单位 GHz dBm 专业.资料.整理