基于FMCW测距雷达系统模块化实验平台设计

张辰亚, 陈晓楠, 刘家成, 柳晓鸣

(1. 大连海事大学 信息科学技术学院, 辽宁 大连 116026；2. 东北大学 计算机学院, 辽宁 沈阳 110819)

随着COMS微电子的不断发展,射频器件体积越来越小,使得零中频架构的接收机体积小、成本低等优势进一步扩大[1-3]。将零中频技术与FMCW体制雷达相结合,设计一款模块化FMCW测距雷达[4]作为本科教学实验平台,不仅是高低频电路、微波天线、雷达理论等多门课程的综合应用,也为学生提供了雷达传感器设计的平台,通过模块化的设计性实验让学生掌握雷达系统的每一个环节性能指标和设计方法。

1 接收机及天线设计主要技术参数

中心频率:5.8 GHz;

调制信号周期:40 ms;

调制信号幅值:0～4 V;

发射信号带宽:≥700 MHz;

发射功率:≥+5 dBmP,灵敏度:≤-80 dBm;

板材材质:FR-4板材,板厚1.6 mm,覆铜厚度1 oz,介电常数为4.4;

射频传输线:共面波导,线宽为1.09 mm,缝隙为0.02 mm。

2 FMCW测距雷达系统硬件设计

根据雷达系统的主要参数,选取合适芯片。设计的零中频FMCW测距雷达系统原理框图见图1[5-6]。整个系统分为发射部分、接收部分、天线部分以及数据采集部分。发射部分包括锯齿波模块和压控振荡器与功分器模块；接收部分包括低噪声放大器模块和混频器模块[7-8]。

图1 雷达系统实验平台框图

本实验平台为学生提供组成雷达系统的各个模块,学生可以自主选择一个或多个模块，利用软件进行仿真设计之后,对其进行电路板的绘制,在加工后的PCB板上进行元件焊接,最后运用相关仪器进行实际测量。

射频部分受电磁干扰影响大,设计难度大,射频各模块的设计是整个系统的重点及难点[9]。为使学生由浅及深地接触射频模块的设计,射频各模块利用商业芯片设计。在设计压控振荡器与功分器模块时,采取一款3 V供电的8引脚贴片型压控振荡器,在0～4.5 V调制电压下,可在5.6 GHz～6.4 GHz频段内扫频,发射功率为+11 dBm。本设计采取由发射部分提供本振的方案,因此需要选取一款一分为二的等分功分器将发射信号分成2路。该功分器的输出2通道在5.6 GHz～6.4 GHz频段内的衰减约为4 dBm,因此从功分器出来的信号发射功率衰减至7 dBm左右。

在级联系统中,第一级模块的噪声系数对系统的噪声系数影响重大,低噪声放大器位于系统的第一级,需要具有较低的噪声来抑制整个系统的噪声,同时,还要具有一定的增益。为了不使后面的混频器过载,它的增益又不易过大。因此采用了一款具有12 dB的增益、2.5 dB的噪声系数的低噪声放大器,其提供的偏置电压为+3 V,供电电压为+3 V。此外根据不同使用情况,该低噪声放大器可设置RES引脚上的外部电阻阻值,用以选择适用于系统的最佳1 dB压缩点性能。

混频器负责将射频信号搬移到基带,其完全工作在射频频段,在考虑变频损耗、端口隔离度等因素的同时,还要考虑零中频接收机固有的本振泄露与直流偏置、I/Q失衡等问题。本设计利用一款本振输入端口到射频输入端口的隔离度是50 dB、本振端口到中频输出端口的隔离度为20 dB的混频器来抑制直流偏置和本振泄露。此外,针对I/Q失衡问题,该混频器采用2个标准Hittite双平衡混频器单元和一个90°混合器件,也就是说混频器将本振信号分为正交的2路,分别进行混频。这样就将移相器和2个混频器总合在一起,不仅减小了体积,且片内的本振分离相较于片外的本振分离受电磁干扰少,减少了信号干扰。

根据各模块供电电压情况,选取ST公司生产的输出电流为500 mA的+5 V线性稳压器L4940D2T5-TR,以及MICREL公司生产的输出电流为500 mA的+3 V线性稳压器MIC5209-3.0YS作为稳压模块。整个供电模块的设计使用1节9 V可充电锂电池供电。

各模块原理图原理图见图2—图6。

图2 压控振荡器以及耦合器模块原理图

图3 低噪声放大器模块原理图

图4 混频器模块原理图

图5 电源原理图

图6 锯齿波发生器原理图

3 实测

3.1 各模块实测

利用Tektronics公司生产的、量程为500 MHz～5 GHz的TDS3054C示波器进行中频部分的波形检测；利用Agilent公司生产的量程为3 Hz～26.5 GHz的E4440A频谱分析仪对信号的频谱进行检测。

各模块实物实测结果如下:

调制信号周期:40 ms；

调制信号幅值:0～4.5 V；

发射功率:+7.5 dBm；

发射频段:5.6825 GHz～6.385 GHz。

天线部分的主要技术参数,根据雷达系统的实测结果有:

中心频率:5.8 GHz；

工作频段:5.6825 GHz～6.385 GHz；

VSWR:≤1.5；

增益:+7 dB。

本实验平台的配套天线为对数周期天线[7-8]。根据对数周期天线理论,计算天线振子个数、尺寸、间距等,利用HFSS对天线进行建模仿真,仿真模型见图7。其S11仿真参数见图8。

图7 对数周期天线仿真模型图

图8 对数周期天线S11参数仿真图

利用Agilent公司生产的量程为300 kHz～20 GHz的N5230A矢量网络分析仪对天线进行实际测量,在工作频段内S11的测量结果均在-10 dB以下。

3.2 整机实测

雷达与天线组装好后的实物图见图9,联合实测结果见图10。在天线的辐射方向放置2 m×1 m的金属板,待波形稳定后,由图10可以看出示波器上出现明显的正弦波形。

图9 雷达系统实物图

图10 雷达系统实测图

4 基于声卡的信号采集及处理部分设计

单片机常用于信号采集处理,但信号处理的灵活性较差,尤其对设计性实验,设计思路随时会有所调整。因此本文设计了一款基于声卡的信息采集系统,作为本实验平台的采集模块,让学生对雷达信号的采集基础理论有更深入的理解和掌握。利用LabVIEW软件内置的声卡信号采集模块,设计雷达信号采集系统[10-12]。雷达信号与声卡传输原理图见图11,所用计算机型号为lenovo1500922s,支持22.05 kHz的采样率。当有信号输入时,其程序面板与显示面板见图12。

图11 雷达信号与声卡传输原理图

图12 Lenovo1500922s程序面板和显示面板图

由图12可以看出,方波周期出现,目标回波信号也根据锯齿波周期型出现,当信号停止时,系统自动保存结果。利用LabVIEW作为虚拟实验平台,具有友好的可视化界面,使得学生可以更直观地观察信号,更便捷地提取信号并对其做进一步处理。

5 结语

FMCW测距雷达是一个综合课题,涉及到的知识和内容十分广泛,而零中频技术作为小型化雷达主要架构方式备受设计师青睐。本文所设计的基于零中频的FMCW测距雷达的模块化实验平台旨在让学生更好地理解FMCW雷达工作原理以及各个模块的设计方法。在各个模块的设计中,不仅训练了学生利用相关软件辅助设计的能力,同时还培养了学生使用相关测量仪器的能力。利用声卡搭建的雷达信号采集系统在让学生深入理解雷达信号采集原理的同时,还能使用LabVIEW及Matlab这两款当下最为流行的信号处理软件,对雷达信号做更深入的研究。

参考文献(References)

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

[2] 宋铖. FMCW雷达物位计收发前端的设计[D].成都:电子科技大学,2015.

[3] 潘竞楠. 零中频脉冲压缩雷达接收机的性能研究[D]. 杭州:浙江大学,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] 刘恩晓. X波段调频连续波雷达收发前端的设计[D].杭州:杭州电子科技大学,2013.

[6] 鲁晓帆. FMCW测距雷达设计与实现[D].南京:南京航空航天大学,2012.

[7] 黄荣江. 高增益小型化对数周期天线的研究[D].大连:大连海事大学,2015.

[8] 万博,胡小峰,雷晓勇,等. 对数周期天线的设计与仿真[J].石家庄:河北科技大学学报,2011(增刊2):39-42.

[9] 傅世强,邵雨萌,李婵娟,等. FMCW雷达综合创新性实验教学系统设计与实现[J]. 实验技术与管理,2015,32(7):49-53.

[10] 卢崇雨,周庆红. LabVIEW和声卡控制系统程序设计[J]. 海峡科技与产业,2016(5):130-131.

[11] 查伟. 基于LabVIEW的网络化虚拟示波器设计[D].太原:太原科技大学,2013.

[12] 陶沙. 基于Labview虚拟示波器的设计[D].福州:福建师范大学,2012.