汽車防撞雷達系統功率放大器仿真設計

馬中華，歐陽軍，陳 彭

（1.集美大學 信息工程學院，福建 廈門 361021；2.集美大學 航海學院，福建 廈門 361021）

隨著社會的進步，作為奢侈品的汽車消費品已經開始在普通家庭普及，汽車的行車安全是越來越重要，因此，各國對交通安全越來越重視。據統計，世界上大多數交通事故是司機反映不及造成的，其中絕大部分是屬于汽車相撞追尾，為了提前避免這種反應不及的交通事故，為安全駕駛的輔助控制裝置汽車防撞雷達隨之產生。國際上對汽車防撞雷達的研究較早，其中K波段的汽車防撞雷達技術較為成熟[1-2]，W波段也開始有大量的研究文獻發表[3-5]。因為以上波段頻率較高，用集總參數來設計電路會產生很大的寄生效應，一般用分布參數來完成此類電路的設計，當然目前也出現了一些24GHz汽車雷達系統的MMIC模塊，但是其成本較高[6-7]。在汽車倒車雷達系統中，功率放大器是一個很重要的部件，同樣它會引入大量的噪聲[8]。在K波段，功率放大器的寄生效應變得非常大，像集總參數的寄生效應，引線的寄生效應，焊盤等。為降低企業的制造成本，提高開發的靈活性，文中用共面波導技術設計了工作在24 GHz汽車雷達系統的功率放大器模塊。

1 功率放大器的設計

根據功率放大器的設計原理，首先選定功放管的工作點Q，定出其電源電壓，確定在設計頻段內的穩定性，然后做出輸入輸出匹配網絡如圖1所示。

圖1 功放的結構圖Fig.1 Structure diagram of the power amplifier

1.1 電路設計

功放管選用安華高（avagotech）公司的E-PHEMT類型的VMMK-1218，因為汽車提供的電源為5 V，所以此功放管的電源電壓選為5 V。VMMK-1218的靜態工作點選為VDS=2.5 V，IDS=25 mA。其中直流偏置通過電阻分壓得到，為了消除微波信號進入直流電路并加了電源濾波電路，用高頻厄流線圈阻斷微波信號。在輸入和輸出端加了匹配濾波網絡，并用隔直電容進行了直流的隔離，以防止影響前級和后級電路。

1.2 微波電路的設計

汽車雷達的工作頻率為24 GHz，集總參數元件在此頻率下的寄生效應非常明顯，故需要利用分布參數元件來設計輸入輸出匹配網絡、電源濾波電路和輸入輸出的隔直電容。電路如圖3所示。其中電阻R1，R5，R6為偏置的分壓電阻。

圖2 VMMK-1218電路原理圖Fig.2 Principle schematic of VMMK-1218 circuit

圖3 分布參數設計的放大器Fig.3 Design of PA by distributed parameter

2 仿真和測試結果

圖4為放大器穩定性仿真的波形圖，在24～24.25 GHz的范圍內，穩定因子全部大于1，說明在此頻段內放大器是穩定的。

圖4 穩定性仿真Fig.4 Simulation of stability

圖5為電路版圖圖3的S參數的仿真結果，在24～24.25 GHz的頻段內，電路的正向傳輸系數達到了8 dB左右，輸入口的反射系數小于-13 dB，輸出口的反射系數小于-20 dB，而此時的反向傳輸系數最大也只有-17 dB。

圖6是微帶功率放大器的輸入和輸出阻抗的smith圓圖，信號頻率從24～24.25 G的范圍內輸入端和輸出端的阻抗變化，可以看到，S（2，2）基本已經接近匹配，S（1，1）稍差，但是這對于輸入端的噪聲抑制有益[9]。圖7為24 G微帶功率放大器的噪聲系數測試圖，可以看到，在頻率的低端和高端，無論是單邊帶還是雙邊帶的噪聲系數都很高，在24～24.25 G的范圍內，NFdsb和NFssb都小于2.3。

圖5 S參數的仿真Fig.5 Simulation of S parameter

圖6 輸入輸出阻抗的仿真Fig.6 Simulation of output and input impedence

圖7 DSB/SSB的噪聲曲線Fig.7 Noise curve of DSB/SSB

圖8所示為24 G功率放大器的增益壓縮曲線，可以得出此功率放大器的輸出1 dB壓縮點在18.5 dBm左右，輸入1 dB壓縮點在10.5 dBm左右，其增益為8 dB。

3 結 論

圖8 增益壓縮曲線Fig.8 The curve of Gain compression

基于汽車倒車雷達的應用，設計了工作在24 G的功率放大器，為了減少在24 G的寄生效應，采用了微帶的設計方法。最終在漏源為2.5 V，漏極電流25 mA偏置的情況下，得到了微帶功率放大器的電路，仿真測試表明，功放的輸入輸出匹配良好，功率增益達到了8 dB，最大輸出不失真功率可達18.5 dBm，噪聲系數低于2.3 dB。適合汽車倒車雷達系統的應用。

[1]CAO Yi-qun，Tiebout M，Issakov V.A 24 GHz FMCW Radar Transmitter in 0.13um CMOS[C]//Solid-State Circuits Conference，2008.ESSCIRC2008.34thEuropean.DigitalObject Identifier:10.1109/ESSCIRC.2008.4681901.2008：498-501.

[2]LI Zhao-long，WU Ke.24 GHz FMCW Radar Front-End System on Substrate[C]//Radio and Wireless Symposium，2007 IEEE.Digital Object Identifier:10.1109/RWS.2007.351810.2007：233-236.

[3]Chang K W，Wang H，Harrison J G.Forward-looking automotive radar using a W-band single-chip transc-eiver[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Tech-niques，1995，43（7）:1659-1668.

[4]Ganci P，Potts S，Okurowski F.A Forward Looking Automotive RadarSensor [C]//IntelligentVehicles95 Symposium，Proceedings of the Digital Object Identifier:10.1109/IVS.1995.528301.1995：321-325.

[5]Kondoh H，Kine K，Takatani S，et al.77 GHz Fully-MMIC Automotive Forward-Looking Radar[C]//GaAs IC Symposium，1999.21st Annual.Digital Object Identifier:10.1109/GAAS.1999.803760.1999:211-214.

[6]Cheung T S D，John R L，Harame D L.A 21 to 26 GHz SiGe bipolar PA MMIC[C]//Solid-State Circuits Conference，2005.Digest of Technical Papers.ISSCC.2005 IEEE International Digital Object Identifier: 10.1109/ISSCC.2005.1494103 2005:530-615.

[7]Ghazinour A，Wennekers P，Schmidt J，et al.A fully-monolithic SiGe-BiCMOS transceiver chip for 24 GHz applications[C]//Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting，2003.Proceedings of the Digital Object Identifier:10.1109/BIPOL.2003.1274962 2003:181-184.

[8]Knopik V，Gerna D，Belot D，et al.Design and Analysis Methodology for a Bluetooth Sub-micron CMOS PA[C]//Solid-State Circuits Conference，2001，ESSCIRC 2001.Proceedings of the 27th European，2001:421-424.

[9]楊小明，劉滌塵，張紅麗，等.基于改進EEMD濾波原理及TLS-ESPRIT算法的低頻振蕩模式識別[J].陜西電力，2012（7）：23-27.

YANG Xiao-ming，LIU Di-chen，ZHANG Hong-li，et al.Identification of low frequency oscillation modes based on improved EEMD filtering technique and TLS-ESPRIT algorithm[J].Shaanxi Electric Power,2012（7）：23-27.