Ka波段交通雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

文/賀德溪（安徽藍(lán)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(yán)峻，較高的行駛速度是導(dǎo)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(dá)等方式測量車速，但這些方法在應(yīng)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(shí)間被碾壓會出現(xiàn)測速不準(zhǔn)的問題；視頻測速易受大霧天氣的干擾；雷達(dá)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(dá)主要使用三個(gè)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(shù)方案較多，配套產(chǎn)品也主要在這兩個(gè)波段應(yīng)用，而Ka波段的應(yīng)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(dá)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(yīng)用微帶集成設(shè)計(jì)，通過混頻、放大濾波、AD轉(zhuǎn)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(jìn)行選擇，給出了硬件電路的器件選型，并對電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

一、交通雷達(dá)總體設(shè)計(jì)方案

交通雷達(dá)系統(tǒng)是以多普勒效應(yīng)檢測原理進(jìn)行目標(biāo)檢測，對運(yùn)動的車輛進(jìn)行測速[1]。交通雷達(dá)的整體結(jié)構(gòu)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(yùn)動車輛，發(fā)射的電磁波經(jīng)車輛反射后一部分被雷達(dá)接收，接收的車輛回波信號與發(fā)射信號存在一個(gè)隨著時(shí)間變化的相位差，從而導(dǎo)致回波信號頻率不同于發(fā)射頻率?；夭ㄐ盘柦?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(jìn)行加強(qiáng)，進(jìn)行AD采樣，送到ARM處理器，最后經(jīng)過算法完成實(shí)時(shí)信號解析，并作相應(yīng)的雜波濾除噪聲、頻率變換分析等處理，從而實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動車輛的方向和速度測量。

圖1 交通雷達(dá)整體結(jié)構(gòu)

二、硬件電路設(shè)計(jì)

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(jìn)行加工，具有易共性、尺寸小、增益高、質(zhì)量輕、免調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。采用單天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用微帶環(huán)形器單向傳輸?shù)脑?，集成電路上對發(fā)射信號和接收信號進(jìn)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(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)，減小阻抗失配而造成的反射損耗。設(shè)計(jì)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?nèi)荻O管安裝在電路上，通過控制調(diào)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(dá)測速距離比較短，發(fā)射功率較小，從小型化和降低調(diào)試難度上考慮，設(shè)計(jì)時(shí)選用體積小、質(zhì)量輕、頻率穩(wěn)定度好、能適應(yīng)各種環(huán)境的芯片。根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)的技術(shù)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(shè)計(jì)的頻率在Ka波段，頻率為35.1GHz，若直接采用頻率模塊，價(jià)格較高不利于批量生產(chǎn)。而選用有源頻器進(jìn)行二倍頻，輸入功率低，不需要進(jìn)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(nèi)置匹配阻抗，通過可調(diào)電源進(jìn)行調(diào)諧電壓輸出，進(jìn)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(zhuǎn)換成易于處理的低頻信號，對低頻信號進(jìn)行運(yùn)算放大，通過混頻器產(chǎn)生兩路可區(qū)分方向信號?；祛l電路設(shè)計(jì)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(diào)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(biāo)需求，同時(shí)對測速雷達(dá)接收信號比較弱的情況有更高的信噪比，可以減少前端設(shè)計(jì)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(dá)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(jìn)行混頻。若采用電阻網(wǎng)絡(luò)制作功分器，頻率高時(shí)電阻損耗比較大，造成輸出信號兩個(gè)端口隔離度低，滿足不了指標(biāo)要求，會降低整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用微帶進(jìn)行設(shè)計(jì)[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(zhì)板的參數(shù)可以計(jì)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(jìn)行了仿真和優(yōu)化,設(shè)置優(yōu)化控制器和優(yōu)化目標(biāo)對微帶線寬和線長進(jìn)行調(diào)整。通過軟件設(shè)計(jì)的電路的優(yōu)化隔離度S參數(shù)仿真結(jié)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(shí)兩端口S(1，2)傳輸損耗為-3.27dB，m1輸出帶內(nèi)兩個(gè)端口S(3，2)的隔離度為-32.5dB。通過測試驗(yàn)證，仿真的結(jié)果能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)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(jìn)行放大濾波。采用集成運(yùn)放的方法進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，放大器采用帶寬2MHz的TL082集成運(yùn)算放大器，具有功耗低、精度高、噪聲低的特點(diǎn)。該設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)IQ兩路信號放大倍數(shù)相同，增益在29dB。放大濾波響應(yīng)仿真曲線如圖4所示，仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，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(yīng)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(zhuǎn)換的數(shù)字信號送到ARM進(jìn)行頻譜分析，提取目標(biāo)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(jìn)行速度的計(jì)算。

三、結(jié)語

交通雷達(dá)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(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過后端數(shù)據(jù)處理可以實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)方案不僅減小了產(chǎn)品的體積，還有效降低了高頻段雷達(dá)的成本。雷達(dá)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(zhǔn)確、可靠、實(shí)時(shí)的交通信息，保障交通管理系統(tǒng)的正常運(yùn)行。