24Ghz车载雷达原理和设计大报告 - 图文

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图3-7 3dB威尔金森功率分配器的HFSS建模

图3-8 3dB威尔金森功分器仿真结果

从图3-8可以看出，中心频率24.5GHz时，功分器两路输出达到平衡，插入损耗小于0.6dB，输入反射系数约在-15dB左右，两路输出反射系数约为-12.5dB，端口2和端口3的隔离度大约-20dB。

利用Agilent公司生产的E8363B型矢量网络分析仪对实物进行测试。图3—9给出了测试板的实物图。

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图3-9 3dB威尔金森功分器测试板实物图

图3-10给出了3dB威尔金森功分器测试结果。

图3-10 3dB威尔金森功分器测试结果

与图3—8所示的仿真结果相比较，3dB威尔金森功分器实测性能在反射系数、隔离度、插入损耗等方面都差了一些。其中，输入反射系数只有-7dB左右，两个输出端口的反射系数均在-10dB以下，隔离度接近-20dB，插损约2.5dB，不平衡度在0.5dB左右。分析原因，一方面与设计本身有关系，另一方面可能受到测试环境和测试方法的影响：考虑到测试时输入1端口通过SMA接头连接，而输出2、3端口通过高频夹具连接，可能由于SMA接头在高频时的损耗和失配导致输入反射和插入损耗性能的恶化。

4 接收组件设计

4.1 雷达接收机

雷达接收机的功能是经过放大器、滤波器、下变频器数字化回波信号，以最大限度的区分需要的回波信号和不需要的干扰。 雷达性能通常用所能检测到的给定散射界面目标的最大作用距离来表征。雷达方程的基本形式可表示为：

(4-1) 其中，Rmax是最大探测距离；Pt是发射信号功率；Gt是发射天线增益；Gr是接收天线

增益； 为发射电磁能量的波长；σ 为目标的雷达散射截面；Smin为接收机最小可检测的信号。

24GHz车载雷达系统需要体积小成本低的接收机，目前的接收机种类主要有：超外差接收机、零中频接收机和数字中频接收机等等。超外差式接收机具有较高的灵敏度指标，但是其中频结构比较复杂；数字中频接收机则对A/D转换器的性能具有较高的要求；相对而言零中频接收机更加符合应用要求。 零中频接收机（ Zero-IF architecture） 结构框图如图4.1所示。 该系统包括锁相环（ Phase Locked Loop， PLL）、接收机信号强度指示器（ Received Signal Strength Indicator， RSSI）和滤波器。 这种接收机的下变频不经过中频直接转化成两路相互正交（ I/Q） 的基带信号。由于镜像干扰信号的功率电平等于或者小于所需的信号，且只有一个本振用于下变频， 所以该结构的镜像干扰问题较低，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，具有显著优势。

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图 4-1 零中频接收机系统框图

但是零中频接收机不可避免的存在一些问题。首先，本振信号与载波信号相同，寄生的本振信号会从接收机泄漏到天线，这会干扰其他同样频率的接收机，即通常所说的本振泄露；其次，偶数阶形变会进入基带并且不可被抵消，即有偶次失真干扰；最后，接近直流信号的来自有源设备的闪烁噪声接近直流信号，这会恶化信噪比，即存在直流偏差。这些问题在设计零中频接收机中都需要加以考虑，通常采用加大射频端口间的隔离度、采用差分结构等等加以解决，使其适应工作需要。

4.2 雷达接收组件主要技术参数 4.2.1 噪声

噪声系数是接收机输入与输出信噪比的比值，其表达式为：

(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

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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。

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