小型化微帶天線及雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(huì)的發(fā)展，雷達(dá)在我們生活中起著越來(lái)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?yàn)椴幻魅?、物或一些未知載具的不斷干擾， 軍事基地對(duì)安全性要求越來(lái)越高，而我們可以利用雷達(dá)來(lái)對(duì)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(duì)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(cè)方式來(lái)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(hào)產(chǎn)生了失真，而且不利于微帶天線的小型化， 所以本文對(duì)此做了進(jìn)一步的探索。本文設(shè)計(jì)的雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)是用來(lái)探測(cè)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(duì)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(lái)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行探測(cè)，用來(lái)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(duì)尺寸和功耗具有嚴(yán)格要求，天線的長(zhǎng)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(shí)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(gè)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(chǎng)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(lái)產(chǎn)生電磁場(chǎng)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(shí)就是求解出天線周圍產(chǎn)生的電磁場(chǎng)， 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(chǎng)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(shí)， 對(duì)整體的性能沒有太大的影響，誤差也不會(huì)太大，可以忽略不計(jì)。 當(dāng)微帶天線的厚度達(dá)到一定值時(shí)， 這兩種方法存在一些缺陷， 它們沒有考慮矢量場(chǎng)在輻射貼片垂直方向上的變化，故會(huì)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(jì)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(duì)輻射貼片長(zhǎng)度的方向上伸出一個(gè)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(shí)進(jìn)行刻蝕，然后通過計(jì)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(diǎn)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(gè)。 一是方向圖：它是三維立體架構(gòu)的圖形，描述的是電磁場(chǎng)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(gè)給定方向上天線輻射強(qiáng)度（E）和所有方向上天線輻射場(chǎng)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(duì)帶寬的計(jì)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(duì)帶寬， 可以得出天線的相對(duì)帶寬，如式（5）所示，式中f0為中心工作頻率。

在實(shí)際情況下，經(jīng)常也用電壓駐波比（VSWR）來(lái)代表帶寬BW：

在式（6）中，Q 為天線的品質(zhì)因數(shù)，VSWR 是用來(lái)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(jì)的微帶天線介質(zhì)基片厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)時(shí)，該微帶天線的諧振頻率為：

式中：L 為輻射貼片的長(zhǎng)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(duì)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(shí)，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(zhǎng)度變長(zhǎng)，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(shí)，其電流路徑明顯比普通矩形的路徑長(zhǎng)，使天線輻射的有效長(zhǎng)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(yùn)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(huì)出現(xiàn)一個(gè)零電位。 當(dāng)在零電位處加上電容與探針之后，就會(huì)形成一個(gè)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(shì)面與地面通過短路來(lái)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(lái)的89%，但同時(shí)諧振頻率也變?yōu)樵瓉?lái)的大約1/3 左右。

3 一種凹槽型小型化微帶天線的設(shè)計(jì)

3.1 天線結(jié)構(gòu)

在文獻(xiàn)[7]中，設(shè)計(jì)的是一種小型微波探測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)的目的是對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。其中，對(duì)信號(hào)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(lái)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(shí)所攜帶的電磁場(chǎng)電磁波信號(hào)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(duì)于微波天線的頻率來(lái)說較低，不利于微帶天線的小型化， 同時(shí)選用的介質(zhì)基片是相對(duì)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(lái)提高帶寬，但是這樣帶來(lái)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(lái)減小天線的尺寸；同時(shí)采用凹槽型的特殊形狀的輻射貼片，來(lái)提高有效電流路徑的長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)一步減小天線的尺寸；利用1/4 波長(zhǎng)阻抗匹配轉(zhuǎn)換器對(duì)天線進(jìn)行阻抗匹配， 減小傳輸線的能量損耗和反射回來(lái)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(duì)于天線來(lái)說，天線的工藝制作需要先通過仿真軟件來(lái)對(duì)天線進(jìn)行實(shí)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(duì)天線實(shí)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(shí)，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(lái)求解電磁場(chǎng)的仿真器， 主要用于復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)的計(jì)算。由于有限元算法的復(fù)雜性要高于時(shí)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(shí)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(lái)發(fā)射和接收信號(hào)的。而對(duì)于信號(hào)，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(hào)的過程中利用電離層反射來(lái)進(jìn)行傳輸。 對(duì)于本文而言，探測(cè)目標(biāo)傳輸?shù)木嚯x只有20m，因此利用微波來(lái)傳遞信號(hào)最適宜。 微波是指頻率為300MHz 至300GHz 的電磁波。 對(duì)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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(jì)的微帶陣列天線將信號(hào)發(fā)射出去。當(dāng)發(fā)射出的微波信號(hào)遇到目標(biāo)物體時(shí)會(huì)被反射回來(lái)， 接收天線將反射回來(lái)的信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行降頻處理；將降頻處理的信號(hào)通過濾波電路進(jìn)行濾波，之后利用16 位CS5509A/D 采樣芯片對(duì)信號(hào)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?hào)接收和處理，之后通過一個(gè)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(diǎn)亮?xí)r，表示在探測(cè)范圍內(nèi)有目標(biāo)物存在，同時(shí)示波器上面會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電平脈寬；當(dāng)單片機(jī)上的紅色LED 燈不亮?xí)r，表示探測(cè)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(huì)消失。

4.1 A/D 采樣芯片的選型

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

為了精確采集到信號(hào)，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(gè)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(cè)量。 當(dāng)器件工作在32.768 kHz 時(shí)鐘（輸出字速率= 20SPS）時(shí)，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(shí)間或溫度下啟動(dòng)， 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(shí)， 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(shí)鐘出現(xiàn)后進(jìn)入1800 個(gè)時(shí)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(gè)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(huì)執(zhí)行此命令。

4.2 單片機(jī)選型

CS5509 芯片輸出是一個(gè)串行的數(shù)字信號(hào)，需要經(jīng)過單片機(jī)來(lái)對(duì)這些串行數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。而對(duì)于單片機(jī)的選擇，應(yīng)從下面幾個(gè)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(hào)時(shí)應(yīng)該盡量選擇低功耗的，避免資源的浪費(fèi)。

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(gè)采樣的輸出字速率對(duì)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(shí)，單片機(jī)應(yīng)該以更快的速度接收。

第四，單片機(jī)的價(jià)格。

綜合上面四點(diǎn)因素考慮， 本探測(cè)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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

探測(cè)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(duì)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(duì)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(lái)提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率，具體請(qǐng)參考文獻(xiàn)[7]。

4.3.1 硬件部分

本文雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)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(hào)進(jìn)行濾波， 篩選出2.7kHz 的信號(hào)。

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(dòng)的時(shí)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(duì)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(jì)算零極點(diǎn)頻率為FZ1=5883Hz，F(xiàn)P1=106200Hz。

通過上面的計(jì)算可以得出實(shí)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(lái)很多無(wú)用的頻率信號(hào)，需要對(duì)混頻的信號(hào)進(jìn)行濾波處理來(lái)得到本文所需要的2.7kHz 信號(hào)。 目前一般常用的濾波器包括以下三種：切比雪夫?yàn)V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(jí)2 階巴特沃斯濾波器。對(duì)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(cè)量的信號(hào)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(cè)量信號(hào)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(jí)和Ⅱ級(jí)電路是兩個(gè)完全相同的部分，因此只需要確定其中一個(gè)的參數(shù)就能對(duì)信號(hào)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(jì)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(duì)A/D 芯片采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理， 將探測(cè)采集的電壓與設(shè)置的門限電壓2V 作比較， 因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)探測(cè)到在沒有目標(biāo)物體時(shí)，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(cè)到有移動(dòng)物體的時(shí)候，即輸出電壓超過2V 了，若選取1.5V作為門限電壓，則整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性得不到保障，容易因?yàn)殡娐翻h(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(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。物體距離探測(cè)裝置越遠(yuǎn)，物體移動(dòng)所產(chǎn)生的電壓波動(dòng)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(cè)到遠(yuǎn)處正在移動(dòng)的物體，可能因?yàn)椴▌?dòng)電壓值太小，會(huì)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(cè)距離。 通過觀察示波器的波形圖來(lái)判斷是否有物體移動(dòng)， 并且在探測(cè)采樣電壓高于2V 時(shí)點(diǎn)亮LED 指示燈， 低于2V 時(shí)熄滅LED指示燈，以達(dá)到探測(cè)效果。 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)的程序流程如圖11 所示。

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

5 平臺(tái)搭建與測(cè)試分析

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

5.1 系統(tǒng)測(cè)試

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

圖12 平臺(tái)搭建實(shí)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(dòng)和有物體移動(dòng)過程中， 單片機(jī)的紅色LED指示燈是否點(diǎn)亮作為系統(tǒng)是否正常運(yùn)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(cè)物或沒有物體移動(dòng)時(shí)， 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(yùn)動(dòng)到距離天線1m 的位置或者物體在1m 處保持運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(jì)的系統(tǒng)是有效的，同時(shí)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)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(cè)試

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是需要能夠探測(cè)到20m 之內(nèi)的移動(dòng)目標(biāo)物，設(shè)計(jì)的測(cè)試方案是在1m 到20m 之間，以1m 為間隔單位進(jìn)行測(cè)試。 如圖14 所示，表示的是天線的前方?jīng)]有目標(biāo)物體移動(dòng)時(shí)，示波器顯示的波形，可以看出出現(xiàn)的信號(hào)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(shí)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(dòng)到系統(tǒng)的探測(cè)范圍之內(nèi)時(shí)，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(cè)到目標(biāo)物體；當(dāng)目標(biāo)物移動(dòng)到距離天線正前方1m 的位置并且在1m 處不斷左右移動(dòng)，示波上顯示的波形如圖15 所示。

圖15 目標(biāo)物移動(dòng)到距離天線1m 處時(shí)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(dòng)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(gè)明顯的帶寬。 可以看出，系統(tǒng)能夠探測(cè)到2m 范圍內(nèi)的目標(biāo)物。

圖16 目標(biāo)物移動(dòng)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(dòng)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(dòng)到距離天線20m 時(shí)示波器波形圖Figure 17 Oscilloscope waveform when the target moves to 20 meters from the antenna

為了測(cè)出系統(tǒng)探測(cè)目標(biāo)物體的最大距離，目標(biāo)物體一直向前移動(dòng)，一直移動(dòng)到22m 時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)如圖17 相類似的波形圖。 但當(dāng)目標(biāo)物體移動(dòng)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(cè)到22m 之后的目標(biāo)。

圖18 目標(biāo)物移動(dòng)到距離天線22m 之后時(shí)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(jì)具有可行性，能夠探測(cè)到目標(biāo)物體， 并且能夠達(dá)到20m 的探測(cè)距離，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的是小型化雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)，主要目的是探測(cè)進(jìn)入軍事管理區(qū)域的可疑目標(biāo)。 首先，設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)信號(hào)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(yàn)，最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了搭建和測(cè)試。 通過對(duì)20m 之內(nèi)的移動(dòng)目標(biāo)物的測(cè)試說明系統(tǒng)的方案和設(shè)計(jì)具有可行性，且滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。