汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)功率放大器仿真設(shè)計(jì)

馬中華，歐陽軍，陳 彭

（1.集美大學(xué) 信息工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.集美大學(xué) 航海學(xué)院，福建 廈門 361021）

隨著社會(huì)的進(jìn)步，作為奢侈品的汽車消費(fèi)品已經(jīng)開始在普通家庭普及，汽車的行車安全是越來越重要，因此，各國(guó)對(duì)交通安全越來越重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上大多數(shù)交通事故是司機(jī)反映不及造成的，其中絕大部分是屬于汽車相撞追尾，為了提前避免這種反應(yīng)不及的交通事故，為安全駕駛的輔助控制裝置汽車防撞雷達(dá)隨之產(chǎn)生。國(guó)際上對(duì)汽車防撞雷達(dá)的研究較早，其中K波段的汽車防撞雷達(dá)技術(shù)較為成熟[1-2]，W波段也開始有大量的研究文獻(xiàn)發(fā)表[3-5]。因?yàn)橐陨喜ǘ晤l率較高，用集總參數(shù)來設(shè)計(jì)電路會(huì)產(chǎn)生很大的寄生效應(yīng)，一般用分布參數(shù)來完成此類電路的設(shè)計(jì)，當(dāng)然目前也出現(xiàn)了一些24GHz汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的MMIC模塊，但是其成本較高[6-7]。在汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，功率放大器是一個(gè)很重要的部件，同樣它會(huì)引入大量的噪聲[8]。在K波段，功率放大器的寄生效應(yīng)變得非常大，像集總參數(shù)的寄生效應(yīng)，引線的寄生效應(yīng)，焊盤等。為降低企業(yè)的制造成本，提高開發(fā)的靈活性，文中用共面波導(dǎo)技術(shù)設(shè)計(jì)了工作在24 GHz汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的功率放大器模塊。

1 功率放大器的設(shè)計(jì)

根據(jù)功率放大器的設(shè)計(jì)原理，首先選定功放管的工作點(diǎn)Q，定出其電源電壓，確定在設(shè)計(jì)頻段內(nèi)的穩(wěn)定性，然后做出輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 功放的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the power amplifier

1.1 電路設(shè)計(jì)

功放管選用安華高（avagotech）公司的E-PHEMT類型的VMMK-1218，因?yàn)槠囂峁┑碾娫礊? V，所以此功放管的電源電壓選為5 V。VMMK-1218的靜態(tài)工作點(diǎn)選為VDS=2.5 V，IDS=25 mA。其中直流偏置通過電阻分壓得到，為了消除微波信號(hào)進(jìn)入直流電路并加了電源濾波電路，用高頻厄流線圈阻斷微波信號(hào)。在輸入和輸出端加了匹配濾波網(wǎng)絡(luò)，并用隔直電容進(jìn)行了直流的隔離，以防止影響前級(jí)和后級(jí)電路。

1.2 微波電路的設(shè)計(jì)

汽車?yán)走_(dá)的工作頻率為24 GHz，集總參數(shù)元件在此頻率下的寄生效應(yīng)非常明顯，故需要利用分布參數(shù)元件來設(shè)計(jì)輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)、電源濾波電路和輸入輸出的隔直電容。電路如圖3所示。其中電阻R1，R5，R6為偏置的分壓電阻。

圖2 VMMK-1218電路原理圖Fig.2 Principle schematic of VMMK-1218 circuit

圖3 分布參數(shù)設(shè)計(jì)的放大器Fig.3 Design of PA by distributed parameter

2 仿真和測(cè)試結(jié)果

圖4為放大器穩(wěn)定性仿真的波形圖，在24～24.25 GHz的范圍內(nèi)，穩(wěn)定因子全部大于1，說明在此頻段內(nèi)放大器是穩(wěn)定的。

圖4 穩(wěn)定性仿真Fig.4 Simulation of stability

圖5為電路版圖圖3的S參數(shù)的仿真結(jié)果，在24～24.25 GHz的頻段內(nèi)，電路的正向傳輸系數(shù)達(dá)到了8 dB左右，輸入口的反射系數(shù)小于-13 dB，輸出口的反射系數(shù)小于-20 dB，而此時(shí)的反向傳輸系數(shù)最大也只有-17 dB。

圖6是微帶功率放大器的輸入和輸出阻抗的smith圓圖，信號(hào)頻率從24～24.25 G的范圍內(nèi)輸入端和輸出端的阻抗變化，可以看到，S（2，2）基本已經(jīng)接近匹配，S（1，1）稍差，但是這對(duì)于輸入端的噪聲抑制有益[9]。圖7為24 G微帶功率放大器的噪聲系數(shù)測(cè)試圖，可以看到，在頻率的低端和高端，無論是單邊帶還是雙邊帶的噪聲系數(shù)都很高，在24～24.25 G的范圍內(nèi)，NFdsb和NFssb都小于2.3。

圖5 S參數(shù)的仿真Fig.5 Simulation of S parameter

圖6 輸入輸出阻抗的仿真Fig.6 Simulation of output and input impedence

圖7 DSB/SSB的噪聲曲線Fig.7 Noise curve of DSB/SSB

圖8所示為24 G功率放大器的增益壓縮曲線，可以得出此功率放大器的輸出1 dB壓縮點(diǎn)在18.5 dBm左右，輸入1 dB壓縮點(diǎn)在10.5 dBm左右，其增益為8 dB。

3 結(jié) 論

圖8 增益壓縮曲線Fig.8 The curve of Gain compression

基于汽車倒車?yán)走_(dá)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了工作在24 G的功率放大器，為了減少在24 G的寄生效應(yīng)，采用了微帶的設(shè)計(jì)方法。最終在漏源為2.5 V，漏極電流25 mA偏置的情況下，得到了微帶功率放大器的電路，仿真測(cè)試表明，功放的輸入輸出匹配良好，功率增益達(dá)到了8 dB，最大輸出不失真功率可達(dá)18.5 dBm，噪聲系數(shù)低于2.3 dB。適合汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用。

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