微波智能傳感與互聯系統設計

金劍，馮亞玲，時翔，耿慶博，郭依萍

（常州工學院，江蘇常州，213032)

智慧交通系統（Intelligent Transport Systems, ITS）將先進的信息、計算機、數據通信、傳感器、電子控制技術等有效地綜合運用于整個交通服務，從而建立起來的一種大范圍、全方位發揮作用的實時、準確、高效的運輸綜合管理系統，以解決日趨惡化的道路交通擁擠、交通事故和環境污染。作為ITS先進傳感器技術之一的微波傳感器，具有體積小、全天候、精度高等工作特性，成為未來ITS領域的重要車載傳感器技術之一。

1 研究現狀和發展趨勢

在ITS的道路智慧化應用中，目前上海的外環線、上海南浦大橋、楊浦大橋、廣州高速公路、廈門蓮坂交叉口等多項智能交通業務中，已采用國產的微波交通雷達產品。

微波傳感器能夠在沙塵、煙霧等惡劣環境下，日夜工作，因而具有全天候的工作特性，這一點是現行光與視頻傳感器無法比擬的；微波傳感器具有更小的體積與重量、更利于大規模集成化生產等優點；微波傳感器具有比聲、光、視頻傳感器更高的抗干擾能力，不僅能夠對各種物理干擾（震動、動物侵入、合法進入等）進行分類識別，而且不易受現代化的無線電波、電磁輻射等干擾，具有先進性；此外，微波傳感器在無線感知目標的同時，可以復合行使無線互聯的功能，更具有先進性。

因此，本文以ITS應用為背景，進行微波傳感器的傳感與互聯技術研究，具有迫切的國家應用需求。

2 微波智能傳感系統設計

基于自主微波/毫米波集成電路（MMIC）技術，進行微波GaAs芯片的多芯片級連、層疊結構設計、垂直通孔互聯等低功耗、微波智能傳感系統設計。

微波智能傳感系統前端集成發射機/接收機，作為傳感器的核心器件，與微波天線（收發天線分置）進行通孔連接。微波智能傳感系統工作體制為調頻連續波（FMCW），輸出包含目標信息的回波信號，經中頻電路濾波、放大、檢波后，進入信號處理電路，進行探測目標的目標識別。微波智能傳感系統收發前端由以下幾個模塊組成：微波天線為收發分置式，發射天線與接收天線的天線特性相同，且隔離度在-30dB以上；前端為射頻收發模塊，主要含微波振蕩器、功率放大器、混頻器等功能模塊；中頻電路為中頻濾波電路、中頻放大電路、檢波電路的模塊集成；信號處理電路通過單片機初級實現；PC機為數據的采集和信號處理程序的運行服務；最終全系統對侵入目標進行識別。

在微波智能傳感系統的設計中，按照天線層、射頻層和中頻信號處理層，進行分層設計與制作，不僅能夠更好地適應現代工藝生產，保證性能的一致性，而且在性能上具有良好的電磁兼容特性，抗干擾能力較強。微波智能傳感系統對目標的探測如圖1所示。

圖1模擬車輛目標的探測及其信號

3 微波智能互聯系統研制

微波智能互聯系統設計框圖，如圖2所示。

圖2 微波互聯收發機設計框圖

本系統射頻前端載波頻率為24GHz，系統如果在室內10m的距離內實現大于100Mbps的通信速率，表1給出的鏈路預算，當傳輸距離為10米時，信號平均發射功率為5 dBm（如果傳輸距離長，可以增大發射功率）。系統具有41.34 dB的鏈路余量，最小接收機靈敏度為-105.5 dBm。表1為系統通訊互聯進行的鏈路預算表。

表1 鏈路預算表

系統發射模塊的電路結，包括射頻、中頻和基帶處理三個部分。為了與大多數商用基帶芯片兼容?？紤]到級聯的穩定性和系統擴展性能的需要，在級聯之間加入一個24GHz的開關；天線部分采用喇叭天線以獲得更大的增益。

系統接收模塊電路，包括射頻、中頻和基帶處理三個部分。其中射頻部分包含頻率源、混頻器、低噪聲放大器、天線四個部分。低噪聲放大器用于將接收的微弱信號放大，要求有較低的噪聲系數，由于單片低噪聲放大器增益有限，故采用兩片級聯的方式，為了避免級聯引起震蕩，在級聯時引入適量的衰減。中頻處理模塊將中頻信號通過I、Q兩路混頻到基帶處理部分，便于與商用基帶芯片互聯。

24GHz短距離無線通信演示系統通過將射頻前端與商用基帶模塊互聯，實現室內、室外大于10Mbps的無線通信傳輸。24GHz點對點實驗演示系統中，兩個多媒體終端（臺式機）采用自主研發的24GHz射頻前端系統，結合商用基帶模塊，實現不小于10Mbps無線傳輸帶寬的高速信息傳輸。

4 結束語

用于智慧交通系統的微波智能系統，在應用上，主要由三部分組成：位于車道固定安置的微波智能傳感與互聯系統對各車道的車流量進行檢測，并對車型大小等作出識別與判斷，并通過探測與互聯一體化天線，實現對車輛的探測與信息數據的傳輸；位于各車輛的車載微波傳感與互聯系統，不僅能夠實現無線傳感防撞功能，而且能夠在近距離內，實現車間的無線互聯通信；調度中心接收固定安置的微波傳感系統傳來的數據，適時對道路交通情況進行掌控和調度。進行智慧交通系統應用的微波智能傳感與互聯系統技術研究，能夠填補國內技術空白，并在產品級微波傳感與互聯技術的推動下，帶動國內相關微波芯片、器件、微系統前端等技術的自主發展。

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