Ka波段小型化FMCW雷達(dá)低中頻信號處理技術(shù)研究*

武青華，崔恒榮，孫朋飛，孫　蕓，孫曉瑋*

（1.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海200050；2.中國科學(xué)院大學(xué)研究生院，北京100049）

Ka波段小型化FMCW雷達(dá)低中頻信號處理技術(shù)研究*

武青華1，2，崔恒榮1，孫朋飛1，2，孫蕓1，孫曉瑋1*

（1.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海200050；2.中國科學(xué)院大學(xué)研究生院，北京100049）

為了顯著降低FMCW雷達(dá)后端數(shù)字信號處理電路的電路面積與電路成本，提出了低中頻的設(shè)計思路，利用頻譜搬移技術(shù)對目標(biāo)信號進(jìn)行下變頻處理，使目標(biāo)信號頻率在20 kHz以下，相比直接對目標(biāo)信號進(jìn)行處理，A/D采樣率得到減小，對3.5 m處的目標(biāo)進(jìn)行測試，測試結(jié)果得到目標(biāo)頻率從160 kHz有效的降低到了10 kHz，驗證了低中頻方法的可行性，滿足小型化低成本雷達(dá)應(yīng)用需求。

毫米波；信號處理；頻譜搬移；低中頻

近年來，隨著毫米波芯片（MMIC）設(shè)計的不斷成熟，毫米波技術(shù)在雷達(dá)探測、電子對抗、高速通信等方面得到了極大的發(fā)展與廣泛的應(yīng)用［1，2］。尤其是毫米波雷達(dá)研究的不斷成熟，使其可以應(yīng)用在汽車防撞、液位檢測、安全防衛(wèi)等方面［3-5］。由于毫米波沿自由空間傳播時受到大氣環(huán)境的制約，不同頻段對應(yīng)不同的傳播衰減，在Ka波段、W波段頻譜附近對應(yīng)的傳輸衰減出現(xiàn)極小值，適合應(yīng)用于雷達(dá)探測［6-8］。

本文搭建Ka波段FMCW雷達(dá)前端，并提出一種低中頻的FMCW雷達(dá)信號處理方法，利用頻譜搬移技術(shù)，使得到的目標(biāo)信號頻率在20 kHz以下，并對3.5 m處的目標(biāo)進(jìn)行了實際測量，測試結(jié)果有效地證明了低中頻方法的可行性，滿足了小型化雷達(dá)的應(yīng)用需求。

1　FMCW雷達(dá)測距原理及前端架構(gòu)

1.1FMCW雷達(dá)測距原理

FMCW雷達(dá)利用三角波對壓控振蕩器進(jìn)行調(diào)制，通過功分器得到兩路信號，一路信號作為發(fā)射，另一路信號直接輸入混頻器與目標(biāo)反射信號進(jìn)行混頻，得到頻率較低的中頻信號，回波的中頻信號中包含有目標(biāo)的距離信息與速度信息，在經(jīng)過信號處理既可以獲得目標(biāo)的有關(guān)信息［9-10］，本文主要針對中頻信號中的距離信息進(jìn)行提取與處理。如圖1所示，反射信號與發(fā)射信號形狀相同，只是在時間上延時Δt，Δt與目標(biāo)距離的關(guān)系可以表示為Δt= 2R/c，R表示目標(biāo)物體的距離，c為電磁波傳播速度，ΔF表示VCO的調(diào)制帶寬，fi表示距離信息對應(yīng)的中頻頻率，根據(jù)三角形相似關(guān)系，可以得到距離R的計算公式表示如下

圖1FMCW雷達(dá)測距原理

1.2Ka波段雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)

Ka波段雷達(dá)前端設(shè)計采用微帶結(jié)構(gòu)與單片毫米波芯片（MMIC）混合集成技術(shù)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，收發(fā)天線采用單喇叭天線實現(xiàn)，利用極化隔離實現(xiàn)天線的接收與發(fā)射，已達(dá)到對系統(tǒng)小型化的要求。

選用Hittite公司的VCO實現(xiàn)8.5 GHz本振頻率，Ka波段混頻器、四倍頻器與放大器均為實驗室自主研發(fā)的芯片。為了減少電路損耗，選擇低損耗正切角的Rogers 5880集成3塊芯片，通過微帶與波導(dǎo)的過渡結(jié)構(gòu)連接喇叭天線。

圖2　Ka波段雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)框圖

2　低中頻信號處理電路設(shè)計

2.1低中頻測距原理

根據(jù)式（1）可得，不同的目標(biāo)距離，對應(yīng)不同的中頻信號，距離信息對應(yīng)的中頻信號在100 kHz到1 MHz之間，為了減小對后續(xù)處理電路的性能要求，降低成本，提出了低中頻信號處理方法，具體電路實現(xiàn)框圖如圖3所示。中頻信號首先通過高Q值的低噪聲放大濾波電路，對目標(biāo)信息進(jìn)行高選擇性的提取，而后通過頻譜搬移電路，有效的降低距離信息對應(yīng)的中頻信號頻率，最后通過放大濾波電路輸出信號到DSP進(jìn)行后續(xù)處理。

針對不同距離的目標(biāo)，各個模塊電路的參數(shù)設(shè)置也各不相同。如圖3所示，fi表示距離信息對應(yīng)的中頻頻率，fmove表示倍頻單元得到的信號頻率，此時fIF=fi-fmove得到頻譜搬移后對應(yīng)的距離頻率。調(diào)節(jié)后續(xù)的增益控制單元，進(jìn)一步的放大信號，提高信噪比，對輸出信號進(jìn)行傅里葉變換，即可以得到頻譜搬移后距離信息對應(yīng)的中頻頻率。根據(jù)此頻率fIF，反推得到不同距離對應(yīng)的不同信號頻率fi。

圖3　低中頻信號處理系統(tǒng)框圖

2.2低中頻電路實現(xiàn)

如圖3所示，射頻前端接收的信號首先通過一個可調(diào)的高Q值低噪聲放大濾波電路，不同距離對應(yīng)著不同的濾波頻率。為了對距離信息進(jìn)行向下的頻譜搬移，更進(jìn)一步降低距離信息對應(yīng)的頻率，在不引入額外頻率分量的基礎(chǔ)上，選擇對三角波頻率進(jìn)行倍頻得到fmove。利用Texas Instruments公司的鎖相環(huán)芯片CD4046B與2-10進(jìn)制BCD編碼芯片CD40102實現(xiàn)倍頻功能，具體電路連接如圖4所示，空余管腳按照芯片要求與功能需要接高電平或者低電平，同時通過撥碼開關(guān)控制CD40102芯片J0到J7的輸入，不同的探測距離對應(yīng)不同的fmove，靈活地選擇頻率倍數(shù)，得到不同的fmove。

CD4046B鎖相環(huán)的工作原理是利用輸出頻率與VCO的振蕩頻率不斷的進(jìn)行比較，調(diào)整VCO的振蕩頻率，使其相近，同時進(jìn)行相位比較，保證兩者的相位差為一個定值，進(jìn)一步實現(xiàn)相位鎖定，從而得到穩(wěn)定的輸出頻率。由于CD4046B內(nèi)部采用的是RC型壓控振蕩器，所以需要外接R1和C1一同構(gòu)成充放電回路，同時外接電阻R2對輸入信號的頻率帶寬做跟蹤。通過使電容C1的充電電流與CD4046芯片9腳輸入的控制電壓成正比，使VCO的振蕩頻率也正比于該控制電壓。當(dāng)信號從CD4046B芯片14腳（SIGIN）輸入后，通過芯片內(nèi)部的比較電路，經(jīng)過外接R3、R4和C2構(gòu)成的濾波電路，得到控制電壓反饋到芯片的9腳（VCOIN），從而與3腳（COMPIN）處的頻率進(jìn)行比較。電路中把時鐘信號作為輸出信號，根據(jù)J0～J7不同的編碼得到不同的CLK分頻信號，作為CD4046B的比較信號，從而在CD4046芯片4腳（VCO OUT）處得到倍頻信號作為輸出。

圖4　倍頻電路芯片連接圖

為了節(jié)省電路面積減小電路成本，選用三極管搭建混頻電路。混頻器一端輸入為fi，另一端的輸入為通過倍頻電路產(chǎn)生fmove，經(jīng)過選頻網(wǎng)絡(luò)得到二者頻率之差的信號fIF，最后對信號進(jìn)行進(jìn)一步的放大濾波處理，得到頻譜搬移后的低中頻距離信號。圖5所示為數(shù)字倍頻電路與混頻電路級聯(lián)測試結(jié)果，測試中調(diào)整撥碼開關(guān)得到三角波倍頻頻率200 kHz，混頻器一端輸入220 kHz正弦信號，可以看到圖中包絡(luò)為20 kHz，通過包絡(luò)檢波與濾波放大即可以得到頻譜搬移后的低中頻信號。

根據(jù)混頻電路的設(shè)計與測試分析，距離信息的中頻信號fi經(jīng)過頻譜搬移后可以有效的降低到20 kHz以下，極大程度了降低了對后續(xù)DSP處理電路的性能要求，減小電路成本。

3　測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1Ka波段雷達(dá)前端測試結(jié)果

制備的Ka波段雷達(dá)系統(tǒng)如圖6所示，射頻前端包括壓控振蕩器（VCO）、功分器、混頻器與低噪聲放大器，具體性能參數(shù)如表1所示。

圖6　Ka-band雷達(dá)制備實物圖

表1　Ka波段雷達(dá)射頻前端測試結(jié)果

通過對雷達(dá)發(fā)射支路的測試，得到VCO的調(diào)節(jié)帶寬，測試結(jié)果如圖7所示，調(diào)節(jié)電壓從0 V到3 V變化時，射頻鏈路的輸出頻率從34.9 GHz變化到了39.5 GHz，根據(jù)測量結(jié)果，選擇輸出頻率線性度最好的頻段作為調(diào)制帶寬，根據(jù)此，設(shè)計三角波調(diào)制信號選擇在1.0 V到1.6 V之間。

圖7VCO線性度測試結(jié)果

根據(jù)射頻前端的測試結(jié)果，發(fā)射功率為12 dBm，輸出功率為-10 dBm，對于被測目標(biāo)距離大于10 m后，由于空間衰減增大，目標(biāo)反射下變頻后的差頻信號已經(jīng)非常微弱，信噪比很低，根據(jù)實際測試，制備的Ka波段雷達(dá)最遠(yuǎn)測試距離為10 m。

3.2低中頻信號處理測試結(jié)果

利用制備的Ka波段FMCW雷達(dá)與設(shè)計的低中頻信號處理電路，搭建FMCW雷達(dá)測試環(huán)境如圖8所示，利用角反射器模擬被測目標(biāo)。根據(jù)VCO頻譜線性度的測量，三角波信號設(shè)置為Voffset=1.2 V，Vpp= 200m V。

圖8FMCW雷達(dá)測試環(huán)境照片

對3.5 m處的固定目標(biāo)進(jìn)行了測試，選擇25 kHz三角波作為調(diào)制頻率，有效的避開FMCW距離信號頻率與頻譜搬移得到的低中頻信號頻率。通過三角波對VCO進(jìn)行調(diào)制后，中頻信號輸出通過高選擇性的前級放大濾波電路，由于三角波信號的泄露，得到的目標(biāo)信號為以三角波調(diào)制頻率為包絡(luò)的正弦信號，如圖9所示。

圖9　載有距離信息的前級放大結(jié)果

在后續(xù)處理電路不僅要提取距離信號還要對泄露的三角波信號進(jìn)行抑制。根據(jù)式（1）得到距離為3.5 m對應(yīng)的頻率為160 kHz，在頻譜搬移電路中，選擇三角波頻率進(jìn)行6倍頻處理得到fmove=150 kHz，通過混頻電路與后級放大濾波電路，得到10 kHz附近的低中頻距離信息。如圖10（a）、10（b）所示，圖10（b）所示為經(jīng)過傅里葉變換得到的頻域信息，有效的提取出低中頻所對應(yīng)的距離信息，同時可以觀察到泄露的三角波得到有效的抑制。

圖10　低中頻信號處理后的測試結(jié)果

3.3結(jié)果分析

根據(jù)圖10（b）可得fIF=10 kHz，倍頻電路設(shè)計得到fmove=6×25 kHz=150 kHz，由fi=fIF+fmove可以計算得到3.5 m處目標(biāo)對應(yīng)的中頻頻率為160 kHz，與理論計算結(jié)果相一致。由于制備的雷達(dá)可測最遠(yuǎn)距離為10 m，根據(jù)式（1）計算可得，此時距離信息對應(yīng)的中頻頻率為460 kHz，調(diào)整放大濾波單元中心頻率與通過撥碼開關(guān)得到不同的頻率倍數(shù)，即可以完成10 m處距離信號的頻譜搬移。對于更遠(yuǎn)的目標(biāo)探測，增加雷達(dá)發(fā)射功率，提高中頻信號信噪比，低中頻信號處理方法同樣適用。

表2列出了直接信號處理與低中頻信號處理主要電路參數(shù)，可以得到經(jīng)過頻譜搬移后，降低了后續(xù)電路的A/D采樣率與DSP運(yùn)算速度，減小了電路面積與成本，可以有效的滿足小型化低成本的雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用需求。

表2　低中頻信號處理與直接處理電路對比

4　結(jié)論

本文提出了一種基于FMCW雷達(dá)低中頻的信號處理方法，可以有效的降低后續(xù)處理電路的采樣頻率與電路成本，通過對3.5 m處的目標(biāo)進(jìn)行測試，使原有的目標(biāo)信號從160 kHz降低到了10 kHz，成功驗證了信號處理方法的可行性與正確性，為后續(xù)DSP信號處理奠定了良好的基礎(chǔ)。提出的信號處理電路不僅適用于Ka波段雷達(dá)，也可以應(yīng)用于其他波段雷達(dá)，滿足小型化低成本的雷達(dá)應(yīng)用需求。

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武青華（1991-），男，山西忻州人，漢族，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，碩士研究生，研究方向為射頻/毫米波集成電路設(shè)計，wuqh@mail.sim.ac.cn；

孫曉瑋（1958-），女，陜西西安人，漢族，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，研究員，博士研究生，研究方向為射頻/毫米波器件單片集成電路及其相關(guān)毫米波雷達(dá)探測器等，xwsun@mail.sim.ac.cn。

Design of Low-IF Signal Processing Technique for Ka-Band Compact FMCW Radar*

WU Qinghua1，2，CUI Hengrong1，SUN Pengfei1，2，SUN Yun1，SUN Xiaowei1*
（1.Shanghai Institute of Micro-system and Information Technology，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200050，China；2.Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

For decrease the circuit size and cost of signal processing circuits，the low-intermediate frequency（IF）signal processing method is proposed that using the spectrum moving technique makes the frequency of the target under 20 kHz and reduces the A/D sampling rate.Test results of the target at 3.5 m obtain the distance frequency reduction from 160 kHz to 10 kHz that verifies the proposed low-IF signal processing method can meet the miniaturized and low-cost radars application.

Millimeter-wave；signal processing；spectrum move；low-IF

TN957.5

A

1005-9490（2016）05-1113-05

項目來源：中科院方向性項目（KGF2D-125-14-013）

2015-10-27修改日期：2015-11-17

EEACC:6140；631010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.019