基于一体化天线的K波段收发前端设计

刘世劼　赵春生　陆文斌　陈赞

摘要：汽车防撞雷达是实现自动驾驶、提高车辆安全性的关键设备，本文介绍了一种集成了收发天线的K波段收发前端，测试收发芯片的指标，结果表明该芯片K波段输出功率能达到8dBm以上，接收变频增益优于20dB。

关键词：雷达；前端；K波段

中图分类号：TN957.51 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）02-0157-01

汽车防撞雷达通过探测车辆周围物体的距离和角度，对目标进行主动识别，自动判断出车辆是否有发生碰撞的危险，提醒驾驶员进行主动避让，从而减少驾驶员的注意力不集中和判断失误导致的事故。本文设计了一种基于一体化天线概念的K波段收发前端，并进行了测试。

1 雷达工作原理

本设计应用于调频连续波雷达，采用三角波调制，其工作原理为：雷达发射电磁信号，电磁信号遇到探测物后被反射，回波信号被雷达天线接收，比较接收时刻的雷达接收信号与发射信号之间的频差，能够获得探测物的距离信息。用R表示雷达相对目标的距离，c表示光速，接收信号相对发射信号在时间上延迟△t，则：

△t=2R/c （1）

实际上时间延迟△t并不能直接得到，但发射和接收之间的频差就容易得到，通过频差、调频周期和带宽即可计算出目标距离。计算公式如下：

R=（△f×T×c）/（4×B） （2）

式中，△f是发射信号与接收信号的频差，T是三角波调制周期，B为发射信号的调制带宽。

若探测目标是运动，则回波信号会产生多普勒频移，表现在同一时刻接收信号和发射信号的频差相对于探测目标与雷达静止时接收信号和发射信号的频差有所变化。在调制三角波上升半周期内，中频信号可以表示为：

f+=△f-fd （3）

在调制三角波下降半周期内，中频信号可以表示为：

f-=△f+fd （4）

其中△f为探测物与雷达相对静止时的中频频率，fd为多普勒频移，由式（3）与式（4）可以求得多普勒频移：

v=λ/4（f--f+） （5）

其中，λ为发射电磁波的波长。当目标朝雷达方向运动时，v的符号为正；当目标远离雷达方向运动时，v的符号为负。

2 收发前端方案和详细设计

受限于汽车防撞雷达的安装位置，要求雷达必须要做到小型化、低功耗、低成本等特点，才能有效的推向市场。如图1所示，收发前端有两个接收通道和一个发射通道，接收通道将接收到信号经过低噪放和下变频后，输出两路正交信号，发射通道主要由压控振荡器和频率调制信号两部分，频率调制信号为对称三角波线性调频信号，此信号调制到压控振荡器上后放大输出。本设计包含了一个发射天线阵列和两个接收天线阵列，这种天线布局能够测试运动目标的相对角度[1]，根据阵列天线综合理论，阵列天线的规模、阵元间距[2]。

本设计的射频芯片和阵列天线分别分布于印制板的两面，如图2所示，芯片一面使用的是Rogers4350B，射频芯片下第一层介质厚度为10mil，天线一面使用的是TACONIC板材。两路接收通道通过金属过孔与背面的接收阵列天线1、2连接，一路发射通道亦是通过金属过孔与背面的发射阵列天线连接，过孔的孔径需在HFSS中精确仿真后确定，否则信号的不連续性会恶化驻波系数，从而降低天线的辐射功率。电源、中频输出和芯片的控制数据汇集于印制板左边的JTAG口。下端预留了一路发射监测信号，可以用于监测芯片是否工作正常。

接收发射端口需严格按照阻抗匹配设置走线宽度，以发射差分输出端口为例，发射端特性阻抗为20.8-j20.2Ω，需根据共轭匹配原理，使输出能量最大地传递要负载上。在ADS软件中借助Smith圆图工具匹配，自动计算出集总电感、电容值，再转化为对应的微带线宽即可。PCB板布线如图3所示，中间段粗线为1.6mm×1.15mm。

3 测试结果

对收发芯片功能进行测试，芯片工作电流大约210mA，发射通道的最大功率输出能达到8dBm以上，当压控电压维持在1.15V时，压控振荡器输出频率在24.25GHz，输出频率随压控电压线性改变。用射频信号源替代回波信号输入给接收通道，测试中频增益优于20dB。

4 结语

本设计验证了基于一体化天线的K波段收发前端的可行性，得到了相关功能芯片的准确测试数据。雷达采用了调频三角连续波体制，通过软件上的微调控制D/A的输出以保证输出频率的线性度。将收发通道与微带阵列天线集成，大大减小了雷达前端的体积，较相控阵天线中TR组件与天线的盲插连接，能有效降低生产成本。

参考文献

[1]张光义，赵玉洁，编著.相控阵雷达技术[M].北京：电子工业出版社，2006.12.

[2]王建.阵列天线理论与工程应用[M].北京：电子工业出版社，2015.