K波段測速雷達前端的設計

郭俊棟，李仲林

(中國科學院 電子學研究所，　北京 100190)

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K波段測速雷達前端的設計

郭俊棟，李仲林

(中國科學院 電子學研究所，北京 100190)

摘要：介紹了一種工作于K波段的測速雷達前端。該前端發射一個點頻連續波信號，將接收信號和發射信號進行混頻后輸出兩路相互正交的中頻信號。通過對中頻信號進行數據采集和處理就可以計算出物體的速度和運動方向。該前端采用了微波單片集成壓控振蕩器(VCO)產生發射信號，并對VCO的調諧電壓產生電路及中頻信號的放大電路進行了精心設計。該前端還采用了微帶陣列天線作為收發天線，使結構緊湊，適用于便攜式測速雷達。

關鍵詞：K波段；測速雷達；前端

0引言

隨著交通路網的高速發展以及汽車數量的井噴式增長，發生交通事故的風險也在不斷增加，而超速是引起交通事故及人員傷亡的首要原因[1-2]。測速雷達已廣泛應用于測速卡口管理、超速抓拍系統以及移動電子警察等交通智能管控系統中，并逐漸成為智能交通管理系統的核心傳感器。實現測速有多種形式，如：激光測速、脈沖多普勒測速、連續波測速等。其中，連續波測速又分為點頻連續波測速和調頻連續波測距測速。激光測速雷達受天氣影響較大，如遇大霧、雨雪、沙塵等天氣，其效能會大大降低；脈沖多普勒測速一般應用于單脈沖測量雷達，要求具有較高的測量精度和實時性，其實現也較復雜[3]；點頻連續波測速雷達利用多普勒頻移實現測速，結構簡單，適合單純的測速應用；調頻連續波雷達既可以實現測速又能夠實現測距，但是比點頻測速雷達在硬件及信號處理上都要復雜得多[4-5]。上述四種除激光測速雷達外都屬于微波測速雷達，其優點是可以全天候工作，不受天氣、環境等因素的影響。本文主要針對點頻測速雷達前端模塊的設計進行詳細介紹。測速雷達前端是微波測速雷達的核心部件之一，它完成信號的產生、發射、接收、變頻及預處理功能，處理后的低頻信號經模數采樣和數字信號處理就可以得到目標的速度。

1測速原理

微波測速雷達利用多普勒效應，通過測定運動目標引起的多普勒頻率來推算目標車輛的速度。多普勒效應的原理是：當某一固定頻率的信號遇到運動物體后產生反射時，反射信號的頻率會發生變化，當物體運動方向為來向時，反射信號的頻率會變大；當物體運動方向為去向時，反射信號的頻率會變小。反射信號頻率和發射信號頻率之差即為多普勒頻率。多普勒頻率的計算公式如下[6-7]

(1)

式中：fd為多普勒頻率，單位為Hz；f0為發射信號頻率，單位為Hz；v為目標車輛速度，單位為m/s；α為行車方向與雷達波束方向之間的夾角；c0=3×108m/s，為電磁波傳播速度。

由式(1)可知，f0、c0、α均為已知量，fd、v為未知量，只要測出fd，目標速度v就可以通過下式計算出來

(2)

式(2)中的多普勒頻率fd一般通過將發射頻率和接收頻率進行混頻得到。如果將發射信號和反射信號通過正交變頻得到兩路頻率相同、相位正交的多普勒信號，則還可以通過兩路多普勒信號之間的相位關系判斷目標的運動方向。其理論依據如下：

為簡化起見，不考慮信號幅度和初始相位，設測速雷達前端發射信號為ST，則

ST=cosω0t

(3)

式中：ω0為發射信號頻率；t為時間。當物體遠離前端運動時，多普勒頻率ωd為負。設回波信號為SRA，則

SRA=cos(ω0-ωd)t

(4)

當對回波信號進行正交混頻時，設I路、Q路的本振信號分別為SLO_I和SLO_Q，則

SLO_I=cosω0t

(5)

(6)

設混頻后的中頻I路、Q路信號分別為SIF_I和SIF_Q，則

SIF_I=cosω0tcos(ω0-ωd)t=

(7)

SIF_Q=sinω0tcos(ω0-ωd)t=

(8)

濾除高頻分量后，最終得到的中頻信號為

(9)

(10)

當物體靠近前端運動時，多普勒頻率為正，設回波信號為SRB，則

SRB=cos(ω0+ωd)t

(11)

混頻后的中頻I路、Q路信號分別為

SIF_I=cosω0tcos(ω0+ωd)t=

(12)

SIF_Q=sinω0tcos(ω0+ωd)t=

(13)

濾除高頻分量后，最終得到的中頻信號為

(14)

(15)

這樣，通過判斷I、Q兩路相位的超前、滯后關系，就可以知道運動物體是來向還是去向。

2指標要求

根據測速雷達整機要求，雷達前端的主要技術指標要求如下：

1)工作頻率：24.15 GHz±15 MHz

2)發射機輸出功率：≥10 dBm

3)天線增益：≥20 dBi

4)方位向波束寬度：5°

5)旁瓣抑制：≥15 dB

3設計方案

測速雷達前端主要完成信號的產生、發射、接收、變頻及放大功能，它主要由信號收發板和天線組成。其中，信號收發板通過壓控振蕩器(VCO)產生點頻正弦波信號，經功分、放大后，一路通過發射天線發射出去，一路送至混頻器的本振端。發射信號被目標車輛反射后回波被前端的接收天線接收，與本振信號在正交混頻器中進行混頻，混頻后輸出相互正交的I、Q兩路多普勒頻率信號。I、Q信號由放大電路進行放大，送至后級電路進行采樣和數字信號處理。測速雷達前端的工作原理如圖1所示[8-9]。

圖1　測速雷達前端工作原理圖

4工程實現

4.1信號收發板

信號收發板主要由信號發射部分和信號接收部分組成。

信號發射部分主要采用UMS公司的VCO芯片CHV2421來完成。該芯片集成了VCO、倍頻器、功分器、放大器，可以直接輸出兩路頻率、信號均相同的K波段頻率信號，一路用作發射信號，一路用作接收本振。為了壓縮成本及簡化電路結構，本方案沒有使用鎖相環電路，而是直接在VCO調諧端施加調諧電壓。根據指標要求，輸出頻率為24.15 GHz±15 MHz，即需要保證調諧電壓的變化使得輸出頻率不超過24.135 GHz～24.165 GHz的范圍。經測試，在24.15 GHz附近調諧電壓與輸出頻率的對應關系如表1所示。

表1　調諧電壓與輸出頻率對應關系測試結果

由表1可知，VCO在24.15 GHz附近的調諧靈敏度約為500 MHz/V，調諧電壓值應在1.406 V附近，且疊加上紋波后電壓變化范圍應限制在1.376 V～1.438 V。

調諧電壓的產生由電池(12 V)通過線性穩壓器得到+5 V，再通過穩壓、分壓及濾波電路得到所需的調諧電壓，電路原理圖如圖2所示。

圖2　VCO調諧電壓產生電路

圖2中，R1為限流電阻，D1為穩壓二極管，標稱穩壓值為2 V，實測為2.042 V，通過R2和R3組成的分壓網絡得到所需的調諧電壓值。R2取100Ω固定值，R3為0 kΩ～1 kΩ電位器，調整電位器的阻值得到所需調諧電壓。C1取10 μF，用于濾除電源低頻噪聲；C2取10 nF，必須靠近芯片管腳放置，用于濾除電源高頻噪聲。經上述電路處理后調諧電壓的穩定性完全滿足要求，實際的調諧電壓值及輸出信號頻率范圍如下：

1)調諧電壓：1.406 V

2)電壓紋波：25 mV

3)輸出頻率：24.15 GHz±6 MHz

信號接收部分主要由混頻器和中頻放大電路組成。其中，混頻器采用了Hittite公司的HMC524正交混頻器芯片，輸出兩路正交的中頻信號。中頻放大電路采用反向比例放大電路對混頻器輸出的I、Q信號進行放大，電路如圖3所示[10]。

圖3　中頻放大器

圖3中，運放的同相輸入端施加一個2.5 V的直流偏置電平，放大后的信號會是以2.5 V為參考零點的正弦波，這樣可以充分利用運放的輸出電壓范圍(0 V～5 V)，避免信號出現失真。Cb為隔直電容，防止直流電壓串回混頻器輸出端造成混頻器燒毀。

4.2天線

測速雷達前端的收發天線采用微帶陣列天線，發射天線和接收天線性能指標相同，結構上相互獨立，但做在同一塊印制板上。天線的饋電采用同軸背饋方式。天線和信號收發板背靠背安裝在鋁合金背板上，由中心帶探針的聚四氟乙烯介質柱穿過鋁合金背板，探針兩端分別連接天線和信號收發板的饋電點。

5測試結果

對研制完成的測速雷達前端技術指標進行了測試，包括輸出頻率、輸出功率、天線增益、波束寬度等，各項技術指標均滿足設計要求，測試結果如下：

1)輸出頻率：24.15 GHz±6 MHz

2)輸出功率：12 dBm

3)天線增益：23 dBi

4)方位向波束寬度：5°

5)旁瓣抑制：23 dB

用研制完成的測速雷達前端對實際運動物體進行照射，在示波器上觀察I、Q輸出信號波形，如圖4、圖5所示。圖4中物體遠離前端運動， I路超前Q路90°；圖5中物體靠近前端運動， I路滯后Q路90°。

圖4　照射去向物體輸出信號波形

圖5　照射來向物體輸出信號波形

6結束語

本文介紹了一種K波段測速雷達前端的設計方案。闡述了多普勒測速的原理，并根據整機指標要求確定了測速雷達前端的各項技術指標。選用高集成度VCO芯片實現了發射信號及本振信號的產生，并對調諧電壓產生電路和中頻信號放大電路進行了精心設計。采用了微帶貼片天線及同軸背饋方式，使得前端在體積、質量方面都實現小型化。最終研制完成的測速雷達前端各項技術指標均滿足設計要求，并進行了實際運動物體照射試驗，試驗結果表明：前端輸出中頻波形質量良好，且通過兩路正交信號的相位關系可以清楚地辨識物體的運動方向。

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郭俊棟男，1982年生，助理研究員。研究方向為雷達收發系統。

李仲林男，1984年生，助理研究員。研究方向為微帶天線技術。

Design of a K-band Speed-measuring Radar Front End

GUO Jundong，LI Zhonglin

(Institute of Electronics, Chinese Academy of Science,Beijing 100190, China)

Abstract：A speed-measuring radar front end working in K-band is introduced. This front end transmits a single frequency continual wave signal, then mixes the received signal and the transmitted signal to output two ways of intermediate frequency signals. The speed and moving direction of the object can be calculated by sampling and processing the intermediate frequency signals. This front end also uses microwave monolithic integrated voltage controlled oscillator to generate the transmitting signal, and its tuning voltage generating circuit and the intermediate frequency signal amplifier circuit are carefully designed. This front end uses microstrip array antenna as transmitting and receiving antenna,which makes it compact and can be applied to portable speed-measuring radars.

Key words：K-band; speed-measuring radar; front end

收稿日期：2015-07-21

修訂日期：2015-09-29

通信作者：郭俊棟Email：jdguo04@163.com

中圖分類號：TN957

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7859(2015)11-0069-04