Ka波段交通雷達系統(tǒng)的設計

文/賀德溪（安徽藍盾光電子股份有限公司）

隨著交通的迅猛發(fā)展，公路安全問題變得異常嚴峻，較高的行駛速度是導致交通事故的主要原因。為了減少超速行駛引起的交通事故，各地交管系統(tǒng)采用了很多辦法，例如通過地感線圈、視頻、雷達等方式測量車速，但這些方法在應用過程中也會出現(xiàn)許多問題。地感線圈需要破壞路面，且長時間被碾壓會出現(xiàn)測速不準的問題；視頻測速易受大霧天氣的干擾；雷達測速是現(xiàn)階段使用最廣泛的方法，可以方便交警執(zhí)法，減少事故的發(fā)生。

交通雷達主要使用三個波段：X波段（10.5GHz±25MHz）、K 波段(24.15GHz±45MHz)、Ka 波段(35.1GHz±100MHz)。市面上基于K波段、X波段的成熟技術方案較多，配套產(chǎn)品也主要在這兩個波段應用，而Ka波段的應用較少，主要原因是沒有核心部件——能直接產(chǎn)生Ka波段的振蕩器。本文提出一種交通雷達系統(tǒng)，振蕩器通過倍頻的方式產(chǎn)生所需要的頻率，電路應用微帶集成設計，通過混頻、放大濾波、AD轉換，把采集的信號送到ARM數(shù)據(jù)處理器；然后依據(jù)振蕩器、倍頻器、混頻器系統(tǒng)要求進行選擇，給出了硬件電路的器件選型，并對電路進行仿真，仿真結果滿足系統(tǒng)設計需求。

一、交通雷達總體設計方案

交通雷達系統(tǒng)是以多普勒效應檢測原理進行目標檢測，對運動的車輛進行測速[1]。交通雷達的整體結構見圖1。壓孔振蕩器產(chǎn)生的正弦高頻信號經(jīng)過倍頻器產(chǎn)生Ka波段頻率，經(jīng)過功分器把一部分信號經(jīng)過發(fā)射天線輻射出去，遇到運動車輛，發(fā)射的電磁波經(jīng)車輛反射后一部分被雷達接收，接收的車輛回波信號與發(fā)射信號存在一個隨著時間變化的相位差，從而導致回波信號頻率不同于發(fā)射頻率。回波信號經(jīng)過正交混頻，得到的差頻信號再經(jīng)過放大濾波電路對信號進行加強，進行AD采樣，送到ARM處理器，最后經(jīng)過算法完成實時信號解析，并作相應的雜波濾除噪聲、頻率變換分析等處理，從而實現(xiàn)對運動車輛的方向和速度測量。

圖1 交通雷達整體結構

二、硬件電路設計

1.收發(fā)天線模塊

收發(fā)天線主要用于Ka波段頻率發(fā)送和接收，由于收發(fā)天線采用微帶進行加工，具有易共性、尺寸小、增益高、質量輕、免調試等優(yōu)點。采用單天線結構進行設計，利用微帶環(huán)形器單向傳輸?shù)脑恚呻娐飞蠈Πl(fā)射信號和接收信號進行隔離，防止發(fā)射信號過高影響接收系統(tǒng)，并對連接部分進行阻抗匹配設計，減小阻抗失配而造成的反射損耗。設計微帶貼片陣列天線，提高性能，便于加工裝配。

2.壓控振蕩器模塊

發(fā)射頻率的核心是壓控振蕩器[2]，其原理是將變容二極管安裝在電路上，通過控制調諧電壓的變化改變二極管電容值，從而改變振蕩頻率。由于交通雷達測速距離比較短，發(fā)射功率較小，從小型化和降低調試難度上考慮，設計時選用體積小、質量輕、頻率穩(wěn)定度好、能適應各種環(huán)境的芯片。根據(jù)系統(tǒng)指標的技術要求選擇ADI公司HMC733芯片，相位噪聲-90dBc/Hz@100kHz。

3.倍頻器模塊

由于設計的頻率在Ka波段，頻率為35.1GHz，若直接采用頻率模塊，價格較高不利于批量生產(chǎn)。而選用有源頻器進行二倍頻，輸入功率低，不需要進行放大，倍頻損耗小，可以產(chǎn)生倍頻增益，倍頻效率較高，溫度穩(wěn)定性好。因此采用GaAsFET有源倍頻HMC579芯片，該芯片內置匹配阻抗，通過可調電源進行調諧電壓輸出，進而控制輸出頻率。

4.混頻器模塊

正交混頻器主要把Ka波段頻率轉換成易于處理的低頻信號，對低頻信號進行運算放大，通過混頻器產(chǎn)生兩路可區(qū)分方向信號。混頻電路設計使用HMC8192 GaAsMMIC正交混頻器。該芯片集成了微帶功分器、平衡電橋和兩路混頻器[3]，在電路上振蕩器通過倍頻、90°正交電橋分為兩路信號。由于混頻降低頻率源引入調幅噪聲所產(chǎn)生的中頻噪聲，信號的輸入損耗降低，滿足系統(tǒng)指標需求，同時對測速雷達接收信號比較弱的情況有更高的信噪比，可以減少前端設計的所需的低噪聲放大器，增加接收靈敏度。

5.功分器模塊

雷達頻率輸出通過功分器分成兩路，一路輸出經(jīng)過發(fā)射天線輻射，一路對混頻器與接收信號進行混頻。若采用電阻網(wǎng)絡制作功分器，頻率高時電阻損耗比較大，造成輸出信號兩個端口隔離度低，滿足不了指標要求，會降低整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此在實際設計過程中應用微帶進行設計[4]，采用Wilkinson功分器，可輸出雙路同電壓，隔離電阻沒有電流通過，不會造成能量損耗。電路制作在0.38mm厚的Rogers5880板上，相對介電常數(shù)為3.25，根據(jù)介質板的參數(shù)可以計算得到阻抗值50Ω的微帶線寬度0.45mm。為了優(yōu)化功分器的性能，采用Advanced Design System（ADS2016）電磁仿真軟件對功分器的損耗和隔離度進行了仿真和優(yōu)化,設置優(yōu)化控制器和優(yōu)化目標對微帶線寬和線長進行調整。通過軟件設計的電路的優(yōu)化隔離度S參數(shù)仿真結果如圖2所示。

圖2 功分器仿真曲線

通過圖2仿真曲線可以得出，m2頻率在35.1GHz時兩端口S(1，2)傳輸損耗為-3.27dB，m1輸出帶內兩個端口S(3，2)的隔離度為-32.5dB。通過測試驗證，仿真的結果能滿足系統(tǒng)設計指標要求。

6.放大濾波電路模塊

經(jīng)過混頻器后輸出兩路中頻信號。由于環(huán)境的不同，兩路信號輸出有車輛信號和雜波信號，并且車輛車型不同，反射的信號幅度也不同，需要經(jīng)過中頻放大濾波電路對信號進行放大濾波。采用集成運放的方法進行電路設計，放大器采用帶寬2MHz的TL082集成運算放大器，具有功耗低、精度高、噪聲低的特點。該設計電路放大中頻信號范圍1～13kHz，如圖3所示。采用電阻電容組成反向放大器，設計IQ兩路信號放大倍數(shù)相同，增益在29dB。放大濾波響應仿真曲線如圖4所示，仿真結果達到預期設計目標，可以滿足交通測速的要求。

圖3 放大濾波電路

圖4 放大濾波響應仿真圖

7.信號處理模塊

將采集中頻放大后的信號通過A/D電路，然后將轉換的數(shù)字信號送到ARM進行頻譜分析，提取目標物體的速度和方向，芯片采用NXP公司的MK60N512芯片,通過頻率換算和算法進行速度的計算。

三、結語

交通雷達采用Ka波段具有多普勒頻移大、分辨率高、不容易干擾、捕獲車輛測速準確的優(yōu)點。設計的系統(tǒng)通過后端數(shù)據(jù)處理可以實時測量超速車輛；采用微帶收發(fā)天線，振蕩器經(jīng)過倍頻產(chǎn)生的發(fā)射頻率，設計方案不僅減小了產(chǎn)品的體積，還有效降低了高頻段雷達的成本。雷達測速系統(tǒng)可以降低交通事故發(fā)生率,為交通管理提供準確、可靠、實時的交通信息，保障交通管理系統(tǒng)的正常運行。