基于FMCW測距雷達系統模塊化實驗平臺設計

張辰亞, 陳曉楠, 劉家成, 柳曉鳴

(1. 大連海事大學 信息科學技術學院, 遼寧 大連 116026；2. 東北大學 計算機學院, 遼寧 沈陽 110819)

隨著COMS微電子的不斷發展,射頻器件體積越來越小,使得零中頻架構的接收機體積小、成本低等優勢進一步擴大[1-3]。將零中頻技術與FMCW體制雷達相結合,設計一款模塊化FMCW測距雷達[4]作為本科教學實驗平臺,不僅是高低頻電路、微波天線、雷達理論等多門課程的綜合應用,也為學生提供了雷達傳感器設計的平臺,通過模塊化的設計性實驗讓學生掌握雷達系統的每一個環節性能指標和設計方法。

1 接收機及天線設計主要技術參數

中心頻率:5.8 GHz;

調制信號周期:40 ms;

調制信號幅值:0～4 V;

發射信號帶寬:≥700 MHz;

發射功率:≥+5 dBmP,靈敏度:≤-80 dBm;

板材材質:FR-4板材,板厚1.6 mm,覆銅厚度1 oz,介電常數為4.4;

射頻傳輸線:共面波導,線寬為1.09 mm,縫隙為0.02 mm。

2 FMCW測距雷達系統硬件設計

根據雷達系統的主要參數,選取合適芯片。設計的零中頻FMCW測距雷達系統原理框圖見圖1[5-6]。整個系統分為發射部分、接收部分、天線部分以及數據采集部分。發射部分包括鋸齒波模塊和壓控振蕩器與功分器模塊；接收部分包括低噪聲放大器模塊和混頻器模塊[7-8]。

圖1 雷達系統實驗平臺框圖

本實驗平臺為學生提供組成雷達系統的各個模塊,學生可以自主選擇一個或多個模塊，利用軟件進行仿真設計之后,對其進行電路板的繪制,在加工后的PCB板上進行元件焊接,最后運用相關儀器進行實際測量。

射頻部分受電磁干擾影響大,設計難度大,射頻各模塊的設計是整個系統的重點及難點[9]。為使學生由淺及深地接觸射頻模塊的設計,射頻各模塊利用商業芯片設計。在設計壓控振蕩器與功分器模塊時,采取一款3 V供電的8引腳貼片型壓控振蕩器,在0～4.5 V調制電壓下,可在5.6 GHz～6.4 GHz頻段內掃頻,發射功率為+11 dBm。本設計采取由發射部分提供本振的方案,因此需要選取一款一分為二的等分功分器將發射信號分成2路。該功分器的輸出2通道在5.6 GHz～6.4 GHz頻段內的衰減約為4 dBm,因此從功分器出來的信號發射功率衰減至7 dBm左右。

在級聯系統中,第一級模塊的噪聲系數對系統的噪聲系數影響重大,低噪聲放大器位于系統的第一級,需要具有較低的噪聲來抑制整個系統的噪聲,同時,還要具有一定的增益。為了不使后面的混頻器過載,它的增益又不易過大。因此采用了一款具有12 dB的增益、2.5 dB的噪聲系數的低噪聲放大器,其提供的偏置電壓為+3 V,供電電壓為+3 V。此外根據不同使用情況,該低噪聲放大器可設置RES引腳上的外部電阻阻值,用以選擇適用于系統的最佳1 dB壓縮點性能。

混頻器負責將射頻信號搬移到基帶,其完全工作在射頻頻段,在考慮變頻損耗、端口隔離度等因素的同時,還要考慮零中頻接收機固有的本振泄露與直流偏置、I/Q失衡等問題。本設計利用一款本振輸入端口到射頻輸入端口的隔離度是50 dB、本振端口到中頻輸出端口的隔離度為20 dB的混頻器來抑制直流偏置和本振泄露。此外,針對I/Q失衡問題,該混頻器采用2個標準Hittite雙平衡混頻器單元和一個90°混合器件,也就是說混頻器將本振信號分為正交的2路,分別進行混頻。這樣就將移相器和2個混頻器總合在一起,不僅減小了體積,且片內的本振分離相較于片外的本振分離受電磁干擾少,減少了信號干擾。

根據各模塊供電電壓情況,選取ST公司生產的輸出電流為500 mA的+5 V線性穩壓器L4940D2T5-TR,以及MICREL公司生產的輸出電流為500 mA的+3 V線性穩壓器MIC5209-3.0YS作為穩壓模塊。整個供電模塊的設計使用1節9 V可充電鋰電池供電。

各模塊原理圖原理圖見圖2—圖6。

圖2 壓控振蕩器以及耦合器模塊原理圖

圖3 低噪聲放大器模塊原理圖

圖4 混頻器模塊原理圖

圖5 電源原理圖

圖6 鋸齒波發生器原理圖

3 實測

3.1 各模塊實測

利用Tektronics公司生產的、量程為500 MHz～5 GHz的TDS3054C示波器進行中頻部分的波形檢測；利用Agilent公司生產的量程為3 Hz～26.5 GHz的E4440A頻譜分析儀對信號的頻譜進行檢測。

各模塊實物實測結果如下:

調制信號周期:40 ms；

調制信號幅值:0～4.5 V；

發射功率:+7.5 dBm；

發射頻段:5.6825 GHz～6.385 GHz。

天線部分的主要技術參數,根據雷達系統的實測結果有:

中心頻率:5.8 GHz；

工作頻段:5.6825 GHz～6.385 GHz；

VSWR:≤1.5；

增益:+7 dB。

本實驗平臺的配套天線為對數周期天線[7-8]。根據對數周期天線理論,計算天線振子個數、尺寸、間距等,利用HFSS對天線進行建模仿真,仿真模型見圖7。其S11仿真參數見圖8。

圖7 對數周期天線仿真模型圖

圖8 對數周期天線S11參數仿真圖

利用Agilent公司生產的量程為300 kHz～20 GHz的N5230A矢量網絡分析儀對天線進行實際測量,在工作頻段內S11的測量結果均在-10 dB以下。

3.2 整機實測

雷達與天線組裝好后的實物圖見圖9,聯合實測結果見圖10。在天線的輻射方向放置2 m×1 m的金屬板,待波形穩定后,由圖10可以看出示波器上出現明顯的正弦波形。

圖9 雷達系統實物圖

圖10 雷達系統實測圖

4 基于聲卡的信號采集及處理部分設計

單片機常用于信號采集處理,但信號處理的靈活性較差,尤其對設計性實驗,設計思路隨時會有所調整。因此本文設計了一款基于聲卡的信息采集系統,作為本實驗平臺的采集模塊,讓學生對雷達信號的采集基礎理論有更深入的理解和掌握。利用LabVIEW軟件內置的聲卡信號采集模塊,設計雷達信號采集系統[10-12]。雷達信號與聲卡傳輸原理圖見圖11,所用計算機型號為lenovo1500922s,支持22.05 kHz的采樣率。當有信號輸入時,其程序面板與顯示面板見圖12。

圖11 雷達信號與聲卡傳輸原理圖

圖12 Lenovo1500922s程序面板和顯示面板圖

由圖12可以看出,方波周期出現,目標回波信號也根據鋸齒波周期型出現,當信號停止時,系統自動保存結果。利用LabVIEW作為虛擬實驗平臺,具有友好的可視化界面,使得學生可以更直觀地觀察信號,更便捷地提取信號并對其做進一步處理。

5 結語

FMCW測距雷達是一個綜合課題,涉及到的知識和內容十分廣泛,而零中頻技術作為小型化雷達主要架構方式備受設計師青睞。本文所設計的基于零中頻的FMCW測距雷達的模塊化實驗平臺旨在讓學生更好地理解FMCW雷達工作原理以及各個模塊的設計方法。在各個模塊的設計中,不僅訓練了學生利用相關軟件輔助設計的能力,同時還培養了學生使用相關測量儀器的能力。利用聲卡搭建的雷達信號采集系統在讓學生深入理解雷達信號采集原理的同時,還能使用LabVIEW及Matlab這兩款當下最為流行的信號處理軟件,對雷達信號做更深入的研究。

參考文獻(References)

[1] Thomas H Lee.The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits[M].Publishing House of Electronics Industry,2004.

[2] 宋鋮. FMCW雷達物位計收發前端的設計[D].成都:電子科技大學,2015.

[3] 潘競楠. 零中頻脈沖壓縮雷達接收機的性能研究[D]. 杭州:浙江大學,2011.

[4] Gu C, Li C, Lin J, et al。Instrument-Based Noncontact Doppler Radar Vital Sign Detection System Using Heterodyne Digital Quadrature Demodulation Architecture[J].in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2010,59(6):1580-1588.

[5] 劉恩曉. X波段調頻連續波雷達收發前端的設計[D].杭州:杭州電子科技大學,2013.

[6] 魯曉帆. FMCW測距雷達設計與實現[D].南京:南京航空航天大學,2012.

[7] 黃榮江. 高增益小型化對數周期天線的研究[D].大連:大連海事大學,2015.

[8] 萬博,胡小峰,雷曉勇,等. 對數周期天線的設計與仿真[J].石家莊:河北科技大學學報,2011(增刊2):39-42.

[9] 傅世強,邵雨萌,李嬋娟,等. FMCW雷達綜合創新性實驗教學系統設計與實現[J]. 實驗技術與管理,2015,32(7):49-53.

[10] 盧崇雨,周慶紅. LabVIEW和聲卡控制系統程序設計[J]. 海峽科技與產業,2016(5):130-131.

[11] 查偉. 基于LabVIEW的網絡化虛擬示波器設計[D].太原:太原科技大學,2013.

[12] 陶沙. 基于Labview虛擬示波器的設計[D].福州:福建師范大學,2012.