基于一體化天線的K波段收發前端設計

劉世劼　趙春生　陸文斌　陳贊

摘要：汽車防撞雷達是實現自動駕駛、提高車輛安全性的關鍵設備，本文介紹了一種集成了收發天線的K波段收發前端，測試收發芯片的指標，結果表明該芯片K波段輸出功率能達到8dBm以上，接收變頻增益優于20dB。

關鍵詞：雷達；前端；K波段

中圖分類號：TN957.51 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0157-01

汽車防撞雷達通過探測車輛周圍物體的距離和角度，對目標進行主動識別，自動判斷出車輛是否有發生碰撞的危險，提醒駕駛員進行主動避讓，從而減少駕駛員的注意力不集中和判斷失誤導致的事故。本文設計了一種基于一體化天線概念的K波段收發前端，并進行了測試。

1 雷達工作原理

本設計應用于調頻連續波雷達，采用三角波調制，其工作原理為：雷達發射電磁信號，電磁信號遇到探測物后被反射，回波信號被雷達天線接收，比較接收時刻的雷達接收信號與發射信號之間的頻差，能夠獲得探測物的距離信息。用R表示雷達相對目標的距離，c表示光速，接收信號相對發射信號在時間上延遲△t，則：

△t=2R/c （1）

實際上時間延遲△t并不能直接得到，但發射和接收之間的頻差就容易得到，通過頻差、調頻周期和帶寬即可計算出目標距離。計算公式如下：

R=（△f×T×c）/（4×B） （2）

式中，△f是發射信號與接收信號的頻差，T是三角波調制周期，B為發射信號的調制帶寬。

若探測目標是運動，則回波信號會產生多普勒頻移，表現在同一時刻接收信號和發射信號的頻差相對于探測目標與雷達靜止時接收信號和發射信號的頻差有所變化。在調制三角波上升半周期內，中頻信號可以表示為：

f+=△f-fd （3）

在調制三角波下降半周期內，中頻信號可以表示為：

f-=△f+fd （4）

其中△f為探測物與雷達相對靜止時的中頻頻率，fd為多普勒頻移，由式（3）與式（4）可以求得多普勒頻移：

v=λ/4（f--f+） （5）

其中，λ為發射電磁波的波長。當目標朝雷達方向運動時，v的符號為正；當目標遠離雷達方向運動時，v的符號為負。

2 收發前端方案和詳細設計

受限于汽車防撞雷達的安裝位置，要求雷達必須要做到小型化、低功耗、低成本等特點，才能有效的推向市場。如圖1所示，收發前端有兩個接收通道和一個發射通道，接收通道將接收到信號經過低噪放和下變頻后，輸出兩路正交信號，發射通道主要由壓控振蕩器和頻率調制信號兩部分，頻率調制信號為對稱三角波線性調頻信號，此信號調制到壓控振蕩器上后放大輸出。本設計包含了一個發射天線陣列和兩個接收天線陣列，這種天線布局能夠測試運動目標的相對角度[1]，根據陣列天線綜合理論，陣列天線的規模、陣元間距[2]。

本設計的射頻芯片和陣列天線分別分布于印制板的兩面，如圖2所示，芯片一面使用的是Rogers4350B，射頻芯片下第一層介質厚度為10mil，天線一面使用的是TACONIC板材。兩路接收通道通過金屬過孔與背面的接收陣列天線1、2連接，一路發射通道亦是通過金屬過孔與背面的發射陣列天線連接，過孔的孔徑需在HFSS中精確仿真后確定，否則信號的不連續性會惡化駐波系數，從而降低天線的輻射功率。電源、中頻輸出和芯片的控制數據匯集于印制板左邊的JTAG口。下端預留了一路發射監測信號，可以用于監測芯片是否工作正常。

接收發射端口需嚴格按照阻抗匹配設置走線寬度，以發射差分輸出端口為例，發射端特性阻抗為20.8-j20.2Ω，需根據共軛匹配原理，使輸出能量最大地傳遞要負載上。在ADS軟件中借助Smith圓圖工具匹配，自動計算出集總電感、電容值，再轉化為對應的微帶線寬即可。PCB板布線如圖3所示，中間段粗線為1.6mm×1.15mm。

3 測試結果

對收發芯片功能進行測試，芯片工作電流大約210mA，發射通道的最大功率輸出能達到8dBm以上，當壓控電壓維持在1.15V時，壓控振蕩器輸出頻率在24.25GHz，輸出頻率隨壓控電壓線性改變。用射頻信號源替代回波信號輸入給接收通道，測試中頻增益優于20dB。

4 結語

本設計驗證了基于一體化天線的K波段收發前端的可行性，得到了相關功能芯片的準確測試數據。雷達采用了調頻三角連續波體制，通過軟件上的微調控制D/A的輸出以保證輸出頻率的線性度。將收發通道與微帶陣列天線集成，大大減小了雷達前端的體積，較相控陣天線中TR組件與天線的盲插連接，能有效降低生產成本。

參考文獻

[1]張光義，趙玉潔，編著.相控陣雷達技術[M].北京：電子工業出版社，2006.12.

[2]王建.陣列天線理論與工程應用[M].北京：電子工業出版社，2015.