小型化微帶天線及雷達(dá)探測系統(tǒng)的設(shè)計

陳瑞東，楊志江，邱定忠

（杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江 杭州 310018）

0 引 言

隨著社會的發(fā)展，雷達(dá)在我們生活中起著越來越重要的作用，各種雷達(dá)的具體用途和結(jié)構(gòu)不盡相同，但基本形式是一致的，包括發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、接收機(jī)、接收天線、處理部分以及顯示器，還有電源設(shè)備、數(shù)據(jù)錄取設(shè)備、抗干擾設(shè)備等輔助設(shè)備。

在軍事領(lǐng)域中，因為不明人、物或一些未知載具的不斷干擾， 軍事基地對安全性要求越來越高，而我們可以利用雷達(dá)來對這些安全隱患進(jìn)行監(jiān)控和排除。雷達(dá)發(fā)射電磁波對目標(biāo)進(jìn)行照射并接收其回波。 在和目標(biāo)物體不進(jìn)行接觸的情況下，利用非接觸探測方式來獲取目標(biāo)的相關(guān)信息。

由于現(xiàn)存的微帶天線在傳輸過程中能量損耗較大，不僅電磁波信號產(chǎn)生了失真，而且不利于微帶天線的小型化， 所以本文對此做了進(jìn)一步的探索。本文設(shè)計的雷達(dá)探測系統(tǒng)是用來探測進(jìn)入軍事管理區(qū)域的可疑目標(biāo)物，如坦克、炮車、持有槍支彈藥的恐怖敵對分子。當(dāng)這些目標(biāo)物體進(jìn)入軍事安全管理區(qū)域之后，系統(tǒng)的前端發(fā)射裝置將電磁波發(fā)射出去，然后利用接收天線接收反射的回波來對目標(biāo)物進(jìn)行探測，用來提醒軍事管轄區(qū)的人員有可疑目標(biāo)進(jìn)入軍事管理區(qū)域。系統(tǒng)對尺寸和功耗具有嚴(yán)格要求，天線的長度不能超過40mm，寬度不能超過40mm；在功耗方面，系統(tǒng)要求的工作電壓是9V，可以通過普通的9V（1.5V×6）干電池進(jìn)行供電，同時在單片機(jī)的選型上面也需要選擇低功耗的單片機(jī)。

1 微帶天線的基本理論

1.1 基本原理

在一個雙面覆銅或者金的介質(zhì)基片上，利用激光刻蝕技術(shù)在一面刻上任意形狀的貼片，另一面與接地板相連， 通過微帶或者同軸的方式進(jìn)行饋電，并且具有發(fā)射和接收電磁場功能的天線稱之為微帶天線。微帶天線是通過天線的輻射貼片和接地板之間所形成的縫隙來產(chǎn)生電磁場的，因此微帶天線也叫做縫隙天線。雖然微帶天線的形狀、種類、尺寸各有不同，但是其輻射原理是基本一致的，圖1 所示是矩形的微帶天線輻射原理圖。

圖1 矩形微帶天線輻射原理圖a）側(cè)視圖 b）俯視圖Figure 1 Radiation principle diagram of rectangular microstrip antenna

1.2 理論分析

微帶天線的理論分析其實就是求解出天線周圍產(chǎn)生的電磁場， 進(jìn)而得出表明天線特性的特性參數(shù)，如增益、帶寬等。 也就是說只需要分析出天線周圍的場區(qū)分布，所有的問題就迎刃而解。到目前為止， 有3 種比較成熟的理論分析方法得到了廣泛應(yīng)用：傳輸線理論、空腔模型理論和全波分析理論。

傳輸線理論和空腔模型理論， 在分析薄的介質(zhì)基片的微帶天線時， 對整體的性能沒有太大的影響，誤差也不會太大，可以忽略不計。 當(dāng)微帶天線的厚度達(dá)到一定值時， 這兩種方法存在一些缺陷， 它們沒有考慮矢量場在輻射貼片垂直方向上的變化，故會引起較大的誤差。 與傳輸線理論、空腔模型理論兩種數(shù)值分析方法不同， 全波分析理論是以三維空間的計算量很大的格林函數(shù)為基礎(chǔ)， 因此此分析方法是三種分析方法中最為精確的一種。 該理論不僅可用于分析形狀規(guī)則的微帶天線，也可以分析形狀不規(guī)則的微帶天線。 換句話說，此方法可以分析各種類型、各種尺寸的微帶天線，不受天線結(jié)構(gòu)影響。

1.3 饋電方式

微帶天線饋電是指對輻射貼片長度的方向上伸出一個分支，并與貼片集成在一起的饋電。 微帶天線的饋電方式主要有側(cè)饋和背饋兩種，如圖2 所示。 由于與貼片是集成在一起的，故通過HFSS 軟件確定了天線的尺寸之后，可以利用綠激光刻蝕機(jī)與輻射貼片同時進(jìn)行刻蝕，然后通過計算出天線的輸入阻抗， 利用TXline 即可得出阻抗匹配轉(zhuǎn)換器的尺寸，之后接入天線單元中，從而就制成了微帶天線。

圖2 微帶天線饋電的結(jié)構(gòu)Figure 2 Microstrip antenna feed structure

同軸線饋電又稱為背饋[1]。 顧名思義，就是饋電點在印制電路板的背面， 同軸線內(nèi)的傳輸線貫穿電路板連接到電路板的另一面貼片上面，如圖3所示。

圖3 同軸線饋電Figure 3 Coaxial line feed

1.4 輻射特性參數(shù)

微帶天線的輻射特性參數(shù)有3 個。 一是方向圖：它是三維立體架構(gòu)的圖形，描述的是電磁場和電磁波在空間的分布情況。 二是方向性系數(shù)：在相同輻射功率的前提下，在某個給定方向上天線輻射強(qiáng)度（E）和所有方向上天線輻射場強(qiáng)（E02）的比值稱之為方向性系數(shù)[2]，如式（1）所示。

三是增益：以相同輸入功率為前提，天線在某一指定方向與全方向上功率密度的比值稱之為天線的增益[3]，如式（2）所示。

1.5 電路特性參數(shù)

一是輸入阻抗。 輸入阻抗由兩部分組成，即電阻分量（Rin）和電抗分量（JXin），如式（3）所示：

二是帶寬。絕對帶寬的計算如式（4）所示。式中fh為最高工作頻率，fl為最低工作頻率。

根據(jù)絕對帶寬， 可以得出天線的相對帶寬，如式（5）所示，式中f0為中心工作頻率。

在實際情況下，經(jīng)常也用電壓駐波比（VSWR）來代表帶寬BW：

在式（6）中，Q 為天線的品質(zhì)因數(shù)，VSWR 是用來衡量天線與傳輸線之間的阻抗匹配程度。 一般VSWR 在1~2 之間， 數(shù)值越小表明匹配的程度越好，天線的功耗越小。

2 微帶天線的小型化技術(shù)

2.1 采用高介電常數(shù)[4]或者高磁導(dǎo)率基片[5]

當(dāng)設(shè)計的微帶天線介質(zhì)基片厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作波長時，該微帶天線的諧振頻率為：

式中：L 為輻射貼片的長度，f 為天線的中心工作頻率，c 為真空中光的傳播速度，εr為介質(zhì)基片的相對介電常數(shù)。 天線的工作頻率是固定不變的，天線的尺寸與介質(zhì)基片的介電常數(shù)的平方根成反比。 也就是說，當(dāng)工作頻率不變時，L 隨著介質(zhì)基片的增加而減小，從而達(dá)到了縮小天線尺寸的效果。

2.2 曲流技術(shù)

曲流技術(shù)又稱為開槽技術(shù)，包括在輻射貼片的表面進(jìn)行開槽和在接地板上面開槽兩種類型。由公式（7）可以知道，開槽之后天線的輻射貼片的有效長度變長，從而能夠減小天線的尺寸。 圖4 表示的是在輻射貼片表面開槽的示意圖。 當(dāng)在表面開槽時，其電流路徑明顯比普通矩形的路徑長，使天線輻射的有效長度增加，從而使諧振頻率降低，進(jìn)而能夠達(dá)到減小天線尺寸的效果。

圖4 輻射貼片開槽Figure 4 Radiation patch slotting

2.3 加載短路探針

在減小天線的尺寸方面，也可以運用加載短路探針的方法。這種方法的原理是在諧振腔內(nèi)引入耦合電容之后， 在接地板和輻射貼片之間加入探針。根據(jù)天線的輻射原理可知，天線的貼片和接地板相當(dāng)于兩條開路的導(dǎo)線，在導(dǎo)線之間會出現(xiàn)一個零電位。 當(dāng)在零電位處加上電容與探針之后，就會形成一個駐波分布，從而使天線的尺寸變成了原先的1/2。 短路加載是指把零勢面與地面通過短路來進(jìn)行加載。其中短路加載包括3 種：加載短路探針、加載短路片和加載短路面，如圖5 所示。

圖5 短路加載示意圖Figure 5 Schematic diagram of short-circuit loading

文獻(xiàn)[6]中利用了加載短路探針的方法之后，能使天線的尺寸縮小為原來的89%，但同時諧振頻率也變?yōu)樵瓉淼拇蠹s1/3 左右。

3 一種凹槽型小型化微帶天線的設(shè)計

3.1 天線結(jié)構(gòu)

在文獻(xiàn)[7]中，設(shè)計的是一種小型微波探測系統(tǒng)。系統(tǒng)的目的是對移動目標(biāo)進(jìn)行探測。其中，對信號的發(fā)射和接收是一種工作頻率為10.5GHz 的微帶天線。 該天線是利用一條傳輸線進(jìn)行饋電，沒有用到阻抗匹配轉(zhuǎn)換器進(jìn)行阻抗匹配。來自失配負(fù)載和連接處的反射產(chǎn)生的反射波，導(dǎo)致在傳輸線中損耗的能量較多，同時所攜帶的電磁場電磁波信號產(chǎn)生了失真， 使得天線的回波損耗|S11|<25.99dB，而且是利用介電常數(shù)為4.4，厚度為1.2mm 的FR4 材料作為天線的基片。通過前面介紹微帶天線小型化技術(shù)可知，選取這樣的介質(zhì)基片不利于天線尺寸的小型化。 文獻(xiàn)[8]中提到了一種處在ISM 工作頻段的微帶天線。 它的工作頻率為2.45GHz，頻率相對于微波天線的頻率來說較低，不利于微帶天線的小型化， 同時選用的介質(zhì)基片是相對介電常數(shù)為3.38，厚度為5mm 的RogersR04003 材料。 通過提高介質(zhì)基片的厚度來提高帶寬，但是這樣帶來的結(jié)果是天線的品質(zhì)因數(shù)Q 值降低，輻射效率下降。

借鑒上述文獻(xiàn)，本文提出了一種尺寸更小的工作頻率為9GHz 的凹槽型微帶天線。 采用微波陶瓷介質(zhì)基片TP-1/2 作為天線的基板來減小天線的尺寸；同時采用凹槽型的特殊形狀的輻射貼片，來提高有效電流路徑的長度來進(jìn)一步減小天線的尺寸；利用1/4 波長阻抗匹配轉(zhuǎn)換器對天線進(jìn)行阻抗匹配， 減小傳輸線的能量損耗和反射回來的反射波，提高能量的利用效率。

3.2 仿真軟件的選定及介紹

對于天線來說，天線的工藝制作需要先通過仿真軟件來對天線進(jìn)行實際模擬，觀察仿真過程中天線性能的好壞，然后通過仿真軟件確定的結(jié)構(gòu)尺寸對天線實物進(jìn)行制作。 如果在天線仿真的過程中，出現(xiàn)性能不好和不能滿足要求時，可以改變天線的尺寸和結(jié)構(gòu)，直到仿真出性能優(yōu)良的天線。 目前比較流行的EDA 軟件包括CST，HFSS 和ADS 等。

本文選用的HFSS 是利用有限元算法來求解電磁場的仿真器， 主要用于復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)的計算。由于有限元算法的復(fù)雜性要高于時域有限積分算法的復(fù)雜性， 使得CST 處理數(shù)據(jù)的速度要快于HFSS，CST 所占用的資源要大于HFSS。 但是利用HFSS 仿真三維電磁結(jié)構(gòu)時精度和準(zhǔn)確性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CST。 HFSS 的求解過程如圖6 所示。

圖6 HFSS 求解過程Figure 6 HFSS solution process

3.3 天線頻率的選定

本文是通過微帶天線來發(fā)射和接收信號的。而對于信號，可以通過短波、中波、微波作為天線傳播方式。在短波傳輸信號的過程中利用電離層反射來進(jìn)行傳輸。 對于本文而言，探測目標(biāo)傳輸?shù)木嚯x只有20m，因此利用微波來傳遞信號最適宜。 微波是指頻率為300MHz 至300GHz 的電磁波。 對于電磁頻譜，微波波段按照頻率從低到高可以劃分為不同的頻段。 根據(jù)現(xiàn)今通用的由IEEE 建立的微波波段的頻譜劃分如表1 所示。

表1 微波波段頻譜分布Table 1 Microwave band spectrum distribution

根據(jù)表1 中的參考數(shù)據(jù)， 綜合考慮本文需求，選取適中的X 波段的9GHz 作為系統(tǒng)工作波段，也就是天線的工作頻率波段。

4 雷達(dá)探測系統(tǒng)的設(shè)計

本文通過采用介質(zhì)柱（DR）和高頻FET 管組成的介質(zhì)振蕩器為系統(tǒng)提供頻率源，采用電容進(jìn)行直接耦合，并通過前面所設(shè)計的微帶陣列天線將信號發(fā)射出去。當(dāng)發(fā)射出的微波信號遇到目標(biāo)物體時會被反射回來， 接收天線將反射回來的信號接收之后，送到混頻器電路。 混頻器采用U 型傳輸線和二極管組成的反相單平衡混頻器，目的是對信號進(jìn)行降頻處理；將降頻處理的信號通過濾波電路進(jìn)行濾波，之后利用16 位CS5509A/D 采樣芯片對信號進(jìn)行采樣，利用單片機(jī)和數(shù)字濾波程序?qū)Σ蓸拥男盘柦邮蘸吞幚恚笸ㄟ^一個輸出接口與數(shù)字示波器相連接。 當(dāng)單片機(jī)上的紅色LED 燈點亮?xí)r，表示在探測范圍內(nèi)有目標(biāo)物存在，同時示波器上面會出現(xiàn)一個電平脈寬；當(dāng)單片機(jī)上的紅色LED 燈不亮?xí)r，表示探測范圍內(nèi)沒有目標(biāo)出現(xiàn)，示波器上面波形的電平脈寬會消失。

4.1 A/D 采樣芯片的選型

通過接收天線接收的信號是毫伏級的電壓，而利用12 位AD 一般無法靈敏地進(jìn)行探測， 因此本文選擇分辨率更高的16 位AD 采樣芯片對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。

為了精確采集到信號，AD 采樣芯片使用Cirrus 公司生產(chǎn)的CS5509。 CS5509 是單電源16 位串行輸出的CMOS A/D 轉(zhuǎn)換器。 CS5509 使用電荷平衡技術(shù)， 以高達(dá)每秒200 個采樣的輸出字速率，為單片機(jī)提供低成本、高分辨率數(shù)據(jù)測量。 當(dāng)器件工作在32.768 kHz 時鐘（輸出字速率= 20SPS）時，片上數(shù)字濾波器在50Hz 和60Hz 下提供卓越的線路抑制。CS5509 具有片上自校準(zhǔn)電路，可以在任何時間或溫度下啟動， 以確保最小偏移和滿量程誤差。低功耗、高分辨率和小封裝尺寸使CS5509 成為環(huán)路供電發(fā)射器、面板儀表、稱重秤和電池供電儀器的理想解決方案。如圖7 所示是該芯片的內(nèi)部電路圖和引腳圖。

圖7 CS5509 引腳功能圖Figure 7 CS5509 pin function diagram

CS5509 的A/D 轉(zhuǎn)換器有三種工作狀態(tài)：待機(jī)、校準(zhǔn)和轉(zhuǎn)換。 當(dāng)首次施加電源時， 大約有10ms 的內(nèi)部上電復(fù)位延遲復(fù)位器件中的所有邏輯。 然后，振蕩器必須在器件被認(rèn)為可以工作之前開始振蕩。上電復(fù)位后， 器件在時鐘出現(xiàn)后進(jìn)入1800 個時鐘周期的喚醒周期，這是允許三角調(diào)制器和其他電路（以非常低的電流操作） 在進(jìn)入校準(zhǔn)或轉(zhuǎn)換狀態(tài)之前達(dá)到穩(wěn)定的偏置條件。在1800 個喚醒期間內(nèi)，器件可以接受輸入命令，直到完全喚醒周期過去之后才會執(zhí)行此命令。

4.2 單片機(jī)選型

CS5509 芯片輸出是一個串行的數(shù)字信號，需要經(jīng)過單片機(jī)來對這些串行數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。而對于單片機(jī)的選擇，應(yīng)從下面幾個方面進(jìn)行考慮。

第一，單片機(jī)的功耗。 在選擇單片機(jī)的型號時應(yīng)該盡量選擇低功耗的，避免資源的浪費。

第二，單片機(jī)的體積。系統(tǒng)應(yīng)用空間有限，在滿足系統(tǒng)功能要求的單片機(jī)中應(yīng)選擇引腳較少和體積較小的。

第三， 單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度。 由于CS5509芯片以高達(dá)每秒200 個采樣的輸出字速率對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 因此在利用單片機(jī)接收A/D 采樣的數(shù)據(jù)時，單片機(jī)應(yīng)該以更快的速度接收。

第四，單片機(jī)的價格。

綜合上面四點因素考慮， 本探測系統(tǒng)采用STM32F407 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

4.3 雷達(dá)探測系統(tǒng)的設(shè)計

探測系統(tǒng)由硬件部分、軟件部分和微帶天線三部分構(gòu)成。下面將對硬件部分和軟件部分做詳細(xì)闡述。硬件部分主要包括介質(zhì)振蕩電路、混頻器、濾波電路和電源供電電路。 其中，對于介質(zhì)振蕩電路和混頻器電路，可以利用已有文獻(xiàn)中的電路來提高系統(tǒng)設(shè)計的效率，具體請參考文獻(xiàn)[7]。

4.3.1 硬件部分

本文雷達(dá)探測系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括電源供電電路和濾波電路。

（1）電源供電電路

本文利用電池（1.5V×6）給系統(tǒng)供電，不需要考慮電源供電的限制而導(dǎo)致系統(tǒng)應(yīng)用的局限性；接著利用濾波電路將混頻器信號進(jìn)行濾波， 篩選出2.7kHz 的信號。

電源降壓模塊， 如圖8 所示。 本系統(tǒng)采用TPS54331 將9V 電壓降到芯片和單片機(jī)供電范圍內(nèi)的電壓。

圖8 TPS54331 輸入欠壓鎖定圖Figure 8 TPS54331 input under voltage lockout diagram

其中V2為輸入開始閾值電壓，V1為輸入停止閾值電壓，VEN為使能閾值電壓，其值1.25V。

軟啟動的時間和電容值如式（10）所示，其中：Vref=0.8V，Iss=2μA，Css=27nF。

利用電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)對該芯片輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。 該分壓器網(wǎng)絡(luò)由R5和R6組成，表達(dá)式如下：

TPS54331 使用了II 型補(bǔ)償方案。 選擇補(bǔ)償分量以設(shè)置輸出濾波器組件的期望閉環(huán)交叉頻率和相位裕度。 經(jīng)計算零極點頻率為FZ1=5883Hz，F(xiàn)P1=106200Hz。

通過上面的計算可以得出實際取值為：R3=29.4kΩ，C6=1000 pF，C7=47pF。 其電源降壓電路圖如圖9 所示。

圖9 電源降壓電路Figure 9 Power step-down circuit

（2）濾波電路

經(jīng)過混頻之后出來很多無用的頻率信號，需要對混頻的信號進(jìn)行濾波處理來得到本文所需要的2.7kHz 信號。 目前一般常用的濾波器包括以下三種：切比雪夫濾波器、貝塞爾濾波器和巴特沃斯濾波器。 綜合考慮，本系統(tǒng)采用的濾波器為2 級2 階巴特沃斯濾波器。對于2 階的帶通濾波器的傳遞函數(shù)如式（16）所示，其中，w0為中心角頻率，Qm為濾波器品質(zhì)因，k 為增益，s 為復(fù)頻率參數(shù)。

假設(shè)測量的信號的頻率為f1~f2，帶寬為BW，由此可以得出其中心頻率：

中心角頻率：

品質(zhì)系數(shù)：

測量信號的頻率為200Hz~2.7kHz， 故其帶寬為2.5kHz。 通過這些數(shù)據(jù)和上面的式子可以得出：中心頻率f0=1.45kHz，中心角頻率w0=4553rad/s，品質(zhì)因數(shù)Qm=1.8212， 濾波器的系數(shù)ρ，β 和γ 分別為1.1，0.549 和1。

由于濾波器的Ⅰ級和Ⅱ級電路是兩個完全相同的部分，因此只需要確定其中一個的參數(shù)就能對信號進(jìn)行濾波。

通過上述的一系列分析可以得出如下結(jié)果：C11=10nF；C12的 值 要 為 正 數(shù)， 故C12=1nF；R11=200kΩ，R12=24.3kΩ，R13=400kΩ，C21=10nF，C22=1nF，R21=200kΩ，R22=24.3kΩ，R23=400kΩ。 其設(shè)計的濾波器的電路如圖10 所示。

圖10 巴特沃斯濾波器電路圖Figure 10 Butterworth filter circuit diagram

4.3.2 軟件部分

利用STM32 單片機(jī)最小系統(tǒng)對A/D 芯片采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理， 將探測采集的電壓與設(shè)置的門限電壓2V 作比較， 因為當(dāng)系統(tǒng)探測到在沒有目標(biāo)物體時，輸出穩(wěn)出2V 的電壓，所以這里選取2V 作為門限電壓。 當(dāng)系統(tǒng)探測到有移動物體的時候，即輸出電壓超過2V 了，若選取1.5V作為門限電壓，則整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性得不到保障，容易因為電路環(huán)境因素等原因造成系統(tǒng)誤判。 選取2V 作為門限電壓， 從而提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。物體距離探測裝置越遠(yuǎn)，物體移動所產(chǎn)生的電壓波動值越小，所以門限電壓值又不能取值過高。如果取值過高， 系統(tǒng)原本能夠探測到遠(yuǎn)處正在移動的物體，可能因為波動電壓值太小，會造成系統(tǒng)的遺漏操作，從而影響系統(tǒng)的精確度和雷達(dá)的探測距離。 通過觀察示波器的波形圖來判斷是否有物體移動， 并且在探測采樣電壓高于2V 時點亮LED 指示燈， 低于2V 時熄滅LED指示燈，以達(dá)到探測效果。 單片機(jī)軟件設(shè)計的程序流程如圖11 所示。

圖11 單片機(jī)軟件設(shè)計的程序流程圖Figure 11 program flow chart of MCU software design

5 平臺搭建與測試分析

通過上面對天線、降壓模塊、濾波器等一系列的設(shè)計之后，需要對整體性能進(jìn)行測試。 測試分為兩部分：系統(tǒng)測試和距離測試。 系統(tǒng)測試主要驗證的是系統(tǒng)能否正常工作。搭建平臺完畢之后通過觀察目標(biāo)物出現(xiàn)時LED 指示燈是否點亮； 距離測試主要是為了測試設(shè)計的雷達(dá)探測系統(tǒng)是否能夠達(dá)到設(shè)定的20m 的探測范圍。

5.1 系統(tǒng)測試

通過上面的一系列設(shè)計，將各個模塊利用信號線連接起來。 其搭建的系統(tǒng)如圖12 所示。

圖12 平臺搭建實物圖Figure 12 Physical map of platform construction

將系統(tǒng)通電之后，在天線的前方1m 處沒有物體移動和有物體移動過程中， 單片機(jī)的紅色LED指示燈是否點亮作為系統(tǒng)是否正常運行的依據(jù)，如圖13 所示。

如圖13a）所示，在天線1m 的地方?jīng)]有目標(biāo)探測物或沒有物體移動時， 系統(tǒng)輸出2V 的電壓，沒有超過設(shè)置的門限電壓， 因此電路中的LED 燈沒有亮。 當(dāng)目標(biāo)物運動到距離天線1m 的位置或者物體在1m 處保持運動時，由于采集的電壓大于門限電壓，因此電路中的LED 指示燈變亮。 通過上面的比較說明設(shè)計的系統(tǒng)是有效的，同時驗證了設(shè)計方案的可行性。

圖13 LED 指示燈圖示a）指示燈不亮 b）指示燈亮Figure 13 LED indicator diagram

5.2 距離測試

本文設(shè)計的系統(tǒng)是需要能夠探測到20m 之內(nèi)的移動目標(biāo)物，設(shè)計的測試方案是在1m 到20m 之間，以1m 為間隔單位進(jìn)行測試。 如圖14 所示，表示的是天線的前方?jīng)]有目標(biāo)物體移動時，示波器顯示的波形，可以看出出現(xiàn)的信號很密集，在高電平和低電平上都沒有脈寬。

圖14 天線前方?jīng)]有物體時示波器的圖形Figure 14 Image of the oscilloscope when there is no object in front of the antenna

目標(biāo)物體移動到系統(tǒng)的探測范圍之內(nèi)時，示波器的波形發(fā)生了突然的變化， 有很多脈寬出現(xiàn)，這說明系統(tǒng)能夠探測到目標(biāo)物體；當(dāng)目標(biāo)物移動到距離天線正前方1m 的位置并且在1m 處不斷左右移動，示波上顯示的波形如圖15 所示。

圖15 目標(biāo)物移動到距離天線1m 處時示波器波形圖Figure 15 Oscilloscope waveform when the target moves to 1 meter from the antenna

利用相同的方法，目標(biāo)物體移動到天線正前方的2m 處，并且在2m 處左右徘徊，如圖16 所示。與圖14 相比，2m 處的波形有一個明顯的帶寬。 可以看出，系統(tǒng)能夠探測到2m 范圍內(nèi)的目標(biāo)物。

圖16 目標(biāo)物移動到距離天線2m 處示波器波形圖Figure 16 Oscilloscope waveform when the target moves to 2 meters from the antenna

與此類推， 目標(biāo)物體移動到天線正前方的20m處，并且在20m 處左右徘徊，其波形如圖17 所示。

圖17 目標(biāo)物移動到距離天線20m 時示波器波形圖Figure 17 Oscilloscope waveform when the target moves to 20 meters from the antenna

為了測出系統(tǒng)探測目標(biāo)物體的最大距離，目標(biāo)物體一直向前移動，一直移動到22m 時，也會出現(xiàn)如圖17 相類似的波形圖。 但當(dāng)目標(biāo)物體移動到22m 之后，示波器的波形如圖18 所示。 由圖可知，系統(tǒng)不能探測到22m 之后的目標(biāo)。

圖18 目標(biāo)物移動到距離天線22m 之后時示波器波形圖Figure 18 Oscilloscope waveforms detected by the system after 22 meters

綜上可得： 系統(tǒng)的方案和設(shè)計具有可行性，能夠探測到目標(biāo)物體， 并且能夠達(dá)到20m 的探測距離，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

6 結(jié)語

本文設(shè)計的是小型化雷達(dá)探測系統(tǒng)，主要目的是探測進(jìn)入軍事管理區(qū)域的可疑目標(biāo)。 首先，設(shè)計了一種中心頻率f=9GHz 左右的凹槽型小型化微帶天線，利用降壓芯片設(shè)計了電源降壓模塊以滿足單片機(jī)的使用， 通過巴特沃斯濾波器對信號進(jìn)行濾波；然后用STM32 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理和校驗，最后對整個系統(tǒng)進(jìn)行了搭建和測試。 通過對20m 之內(nèi)的移動目標(biāo)物的測試說明系統(tǒng)的方案和設(shè)計具有可行性，且滿足設(shè)計目標(biāo)要求。