微波智能传感与互联系统设计

金剑，冯亚玲，时翔，耿庆博，郭依萍

（常州工学院，江苏常州，213032)

智慧交通系统（Intelligent Transport Systems, ITS）将先进的信息、计算机、数据通信、传感器、电子控制技术等有效地综合运用于整个交通服务，从而建立起来的一种大范围、全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统，以解决日趋恶化的道路交通拥挤、交通事故和环境污染。作为ITS先进传感器技术之一的微波传感器，具有体积小、全天候、精度高等工作特性，成为未来ITS领域的重要车载传感器技术之一。

1 研究现状和发展趋势

在ITS的道路智慧化应用中，目前上海的外环线、上海南浦大桥、杨浦大桥、广州高速公路、厦门莲坂交叉口等多项智能交通业务中，已采用国产的微波交通雷达产品。

微波传感器能够在沙尘、烟雾等恶劣环境下，日夜工作，因而具有全天候的工作特性，这一点是现行光与视频传感器无法比拟的；微波传感器具有更小的体积与重量、更利于大规模集成化生产等优点；微波传感器具有比声、光、视频传感器更高的抗干扰能力，不仅能够对各种物理干扰（震动、动物侵入、合法进入等）进行分类识别，而且不易受现代化的无线电波、电磁辐射等干扰，具有先进性；此外，微波传感器在无线感知目标的同时，可以复合行使无线互联的功能，更具有先进性。

因此，本文以ITS应用为背景，进行微波传感器的传感与互联技术研究，具有迫切的国家应用需求。

2 微波智能传感系统设计

基于自主微波/毫米波集成电路（MMIC）技术，进行微波GaAs芯片的多芯片级连、层叠结构设计、垂直通孔互联等低功耗、微波智能传感系统设计。

微波智能传感系统前端集成发射机/接收机，作为传感器的核心器件，与微波天线（收发天线分置）进行通孔连接。微波智能传感系统工作体制为调频连续波（FMCW），输出包含目标信息的回波信号，经中频电路滤波、放大、检波后，进入信号处理电路，进行探测目标的目标识别。微波智能传感系统收发前端由以下几个模块组成：微波天线为收发分置式，发射天线与接收天线的天线特性相同，且隔离度在-30dB以上；前端为射频收发模块，主要含微波振荡器、功率放大器、混频器等功能模块；中频电路为中频滤波电路、中频放大电路、检波电路的模块集成；信号处理电路通过单片机初级实现；PC机为数据的采集和信号处理程序的运行服务；最终全系统对侵入目标进行识别。

在微波智能传感系统的设计中，按照天线层、射频层和中频信号处理层，进行分层设计与制作，不仅能够更好地适应现代工艺生产，保证性能的一致性，而且在性能上具有良好的电磁兼容特性，抗干扰能力较强。微波智能传感系统对目标的探测如图1所示。

图1模拟车辆目标的探测及其信号

3 微波智能互联系统研制

微波智能互联系统设计框图，如图2所示。

图2 微波互联收发机设计框图

本系统射频前端载波频率为24GHz，系统如果在室内10m的距离内实现大于100Mbps的通信速率，表1给出的链路预算，当传输距离为10米时，信号平均发射功率为5 dBm（如果传输距离长，可以增大发射功率）。系统具有41.34 dB的链路余量，最小接收机灵敏度为-105.5 dBm。表1为系统通讯互联进行的链路预算表。

表1 链路预算表

系统发射模块的电路结，包括射频、中频和基带处理三个部分。为了与大多数商用基带芯片兼容。考虑到级联的稳定性和系统扩展性能的需要，在级联之间加入一个24GHz的开关；天线部分采用喇叭天线以获得更大的增益。

系统接收模块电路，包括射频、中频和基带处理三个部分。其中射频部分包含频率源、混频器、低噪声放大器、天线四个部分。低噪声放大器用于将接收的微弱信号放大，要求有较低的噪声系数，由于单片低噪声放大器增益有限，故采用两片级联的方式，为了避免级联引起震荡，在级联时引入适量的衰减。中频处理模块将中频信号通过I、Q两路混频到基带处理部分，便于与商用基带芯片互联。

24GHz短距离无线通信演示系统通过将射频前端与商用基带模块互联，实现室内、室外大于10Mbps的无线通信传输。24GHz点对点实验演示系统中，两个多媒体终端（台式机）采用自主研发的24GHz射频前端系统，结合商用基带模块，实现不小于10Mbps无线传输带宽的高速信息传输。

4 结束语

用于智慧交通系统的微波智能系统，在应用上，主要由三部分组成：位于车道固定安置的微波智能传感与互联系统对各车道的车流量进行检测，并对车型大小等作出识别与判断，并通过探测与互联一体化天线，实现对车辆的探测与信息数据的传输；位于各车辆的车载微波传感与互联系统，不仅能够实现无线传感防撞功能，而且能够在近距离内，实现车间的无线互联通信；调度中心接收固定安置的微波传感系统传来的数据，适时对道路交通情况进行掌控和调度。进行智慧交通系统应用的微波智能传感与互联系统技术研究，能够填补国内技术空白，并在产品级微波传感与互联技术的推动下，带动国内相关微波芯片、器件、微系统前端等技术的自主发展。

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