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1、超高速通信电路与系统技术概论课程报告小组成员：学院：信息科学与工程学院指导老师： 二零一七年六月24GHz车载雷达原理与设计1.研究背景与车载雷达的发展与应用1.1研究背景自从1904年德国工程师里斯蒂安在柏林皇家专利会上取得了雷达设计的发明专利以后，雷达的发展可谓是日新月异。雷达最初的目的在于无线电检测和测距，辐射出能量并检测反射回来的波，根据时间差可计算出与目标物体之间的距离。现在技术较为成熟的是调频连续波雷达，一个频率连续变化的波，其中一部分波束信号作为参考物，另一部分波束信号辐射出去，经过目标物体局部反射后的信号与参考信号进行混频从而产生一个差频信号，通过信号处理则可以得到距离。这种技
2、术不仅精度极高，同时成本较低，因此广为流行。据调查统计，追尾是交通事故最主要的发生形式，尤其是高速公路上的超速现象和雨雪雾霾天气更是事故的导火索。交通事故大多数是驾驶员没有意识到前方车辆距离自身车辆太近或者完全来不及反应所造成的，如果驾驶员能提前0.5秒意识到危险的靠近，那么交通事故将减少至少一半。对此，目前已采取了许多措施，其中主要有安全带、安全气囊和保险杠等，但这都只是“治标不治本”。要想从根本上解决问题，汽车安全间距检测系统的存在必不可少。汽车安全间距检测系统主要的作用为停车辅助和防止碰撞。停车辅助是指驾驶员在倒车时倒车雷达会帮助他们探测后视镜看不见的物体，通常是用来探测后方物体的距离，
3、当距离过小存在危险时，警报会发出声响提醒驾驶员注意，通常距离越小警报声显得越危急。除此之外，碰撞避免是指在碰撞快要发生时发出警报提醒驾驶员及时作出应对，减少驾驶员的反应时间，极大程度地避免了碰撞的发生。该系统同样也是以雷达为基础，雷达如图1.1所示，它不断探测周围车辆的距离和速度，不仅会发出警报，必要时也会自动拐弯或是减速。由此可见，汽车安全间距检测系统对于减少交通事故的发生起着不可替代的关键作用。图1-1防撞雷达示意图由于交通事故率每一年都在上涨，汽车雷达得到了业内人士越来越多的关注，从上个世纪70年代至今，渐渐出现了超声波、 激光、红外、微波等多种方式的汽车雷达系统。表1-1各种雷达技术方
4、案比较超声波被动红外主动红外可见光毫米波价格低高高高高波束难以形成覆盖面窄抗干扰能力差差强强强气候影响小大小大小技术特点存在盲视功耗大穿透力强技术要求低中中高高毫米波是指波长为1-10毫米、频率为30GHz-300GHz的电磁波。根据表1-1所示，毫米波具有抗干扰能力强、穿透力强、气候影响小以及体积小重量轻的优点。除此之外，毫米波有较大的多普勒带宽，多普勒效应明显，测量精度高，因此汽车毫米波雷达显然是研究人员设计与研究的重中之重，具有良好的商业价值和广阔的发展前景。虽然各类雷达的结构不同，但是所有的雷达都至少包括五个基本的部分：发射机、发射天线、接收机、接收天线和显示设备。而研究的重点则是汽车
5、雷达的主要核心部件雷达接收机。目前市面上普遍存在的车载雷达使用频率主要集中在 24GHz，60GHz 与 77GHz这三个频率。由于这三个频率附近的波在空气中衰减较大，因此不会对人体和其他电子设备造成太大的影响。FCC(Federal Communication Commission)规定24GHz作为短距离车载雷达的标准频率，而另外两种则是长距离车载雷达的标准频率。长距离车载雷达技术要求极高，且价格昂贵，因此一般用于高级轿车。而短距离车载雷达性价比极高，精度高、体积合适，是未来雷达发展的重点。1.2车载雷达的发展与应用从上世纪六十年代至七十年代末，由于微波理论水平较低、器件集成度较低、硬件成
6、本高等不利因素，各国所研制的车载雷达存在着很大的差异。从七十年代以后，车载雷达的体积因为频率的增加而逐渐减小，但由于技术达不到要求，发展速度缓慢。但在八十年代以后，随着微波理论的日趋成熟以及技术水平的大大提升，欧洲、美国和日本等都研究出了性能极强、体积合适的车载雷达，并开始投入使用。目前，汽车毫米波雷达系统的研究主要集中在国外，工作频率为77GHz的车载雷达研究及发展最为良好，具体情况如表1-2所示。相比之下，国内对汽车雷达研究显得太过年轻，尚在起步阶段，研究的热点和难点在于贴片天线和集成化前端雷达系统等。表1-2国外汽车毫米波雷达的发展状况发表时间公司工作频率（GHz）发射功率（mW）主要技
7、术成本1991Plessey7820光学天线50-1001993Eaton24.7253$25001996Delco7710$18951997Benz763喇叭天线2000TRW77MMIC前端$2002000Sense10.5255波导前端早期德国ADC公司曾利用了脉冲测距，出产了ASR100毫米波雷达，之后Denso公司、日本丰田公司与三菱公司开始合作，运用先进的相控阵技术，生产了汽车毫米波雷达，该雷达采用了调频连续波测距方式，具有良好的抗干扰能力。从上个世纪70年代开始，车载雷达发展开始集中在了微波频率段。在欧洲， 欧洲电信标准协会(ETSI)管理频率分配，拨出24.05到24.25 G
8、Hz这个频段用于车载雷达。在美国，联邦通信委员会(FCC)要求超宽带车载雷达系统操作频率为22 到29 GHz。除此之外，在欧洲还成立了短程汽车雷达频率分配联盟 (SARA)，这使得车载雷达在24 GHz、 77 GHz等频段得以顺利发展。相比于欧美各国，我国对车载雷达的研究起步相对较晚，但是国内源源不断的人才涌出开始了进行汽车防撞雷达系统的研究。2001年，中国科学院上海微系统所研究出了工作频率在35GHz， LFMCW体制的毫米波雷达系统，取得了不俗的成绩。该雷达利用周期性三角波作为调制信号，射频前端采用波导结构，采用喇叭天线并利用DSP芯片完成信号处理，其测距范围大于100m，测速范围大
9、于lOOkmh。四年以后，该所又研制出我国首个24GHz全芯片集成小型防撞雷达。 除此之外，国内各高校也纷纷开展了对车载雷达的研究， 但大多处于实验阶段，并未形成产业化，各方面来说都与国际先进水平有所差距，但这极大地推动了我国车载雷达的发展。随着半导体微波源的进步，以及计算微控制器和数字信号处理芯片的发展, 车载雷达实现了商业化。虽然存在很多竞争对手如红外波和超声波，但毫米波凭借其不易受影响的特点，依然在车载雷达发展中占重要地位。对于车载雷达，系统功能和总成本也是应该考虑的，并且还需要考虑如何实现良好的营销来吸引客户，才能投入大量的使用，继而促使现代车载雷达在碰撞报警系统(FCWS)，向前主动
10、避撞系统(FCAS)以及自适应巡航控制系统(ASS)的发展，实现良性循环。 伴随着毫米波技术的日益成熟，车载雷达的功能也日趋复杂。最开始的低级碰撞报警系统发展成为了高级自动巡航系统，实现了监控车距和车速、自动控制车速、可导航定位等功能的突破。不久的未来，车载雷达系统将不断进步，继而识别与分类不同目标，并对交通情况实时成像，以实现雷达通信一体化。雷达接收机作为车载雷达的核心部件至关重要，但是仍然需要继续深入研究其他部件如混频器、低噪声放大器等。总体来说，24GHz车载雷达的高精确，小型化，低成本仍然是行业发展的目标。2 雷达系统原理与方案2.1工作原理毫米波雷达的工作体制主要有脉冲体制和调频连续
11、波（FMCW）体制。调频连续波雷达其基本原理是首先产生一个频率连续变化的波，一小部分的波束信号被用作参考信号，另外一大部分波束信号被天线辐射出去。 发射信号在传播过程中假如遇到目标则局部反射，反射回来的信号被接收天线接收并与参考波束进行混频，从而产生一个差频信号， 后期的信号处理电路便可从中频信号中提取出目标的距离速度等讯息。调频连续波雷达系统框图如图 2-1 所示。图2-1调频连续波雷达系统框图脉冲雷达框图如图 2-2 所示，其测距时由于重复频率高会产生测距模糊，为了辨别模糊就需要对周期辐射的脉冲信号加上某些可以识别的标志，调频脉冲串就是一种方法。 脉冲频率调制(PFM)方法一般被用来测距，
12、 脉冲频率调制(PFM)的调制信号频率随输入信号的幅值变化， 而占空比不变。 因为调制信号常常为频率变化的方波信号，所以 PFM 也称为方波 FM。图2-2 脉冲雷达框图2.2 FMCW体制2.2.1 调频连续波测距FMCW雷达系统的发射机产生连续高频等幅波，一般采用三角波进行调制，使其频率在时间上按照三角形规律变化。无线电波传播过程中遇到目标发生反射，接收天线接收到回波信号，在这段时间内，发射机的频率较回波频率己经发生变化，将发射机直接耦合的信号与接收天线接收到的目标回波通过接收机的混频器，输出差频信号，通过对差频信号的测量可以计算出目标的距离。图2-3 静止目标下三角波调制FMCW雷达工作
13、原理目标距离R和中频信号频率fIF的关系式：R=cTm4FfIF2.2.2调频连续波测速当反射回波来自运动目标时，相对速度造成了多普勒频移，使中频信号的频率相对于静止时有所升高或降低，包含了距离与速度的信息。图2-4 运动目标下三角波调制FMCW雷达工作原理设目标距离为R，相对径向速度为v的运动目标产生的多普勒频率为fd，设三角波上升沿和下降沿输出中频信号频率分别是fb+和fb-，0为发射信号波长可得：v=04（fb-fb+）其中：fb+=fIF-fdfb-=fIF+fd目标靠近时v的符号位正，目标远离时v的符号为负。2.2.3调频连续波测角扫频天线的测角原理如图2-5。天线的波束随着频率的变
14、化摇头，当天线的波束指向被测物体，会产生一个功率大的反射波。通过计算，可以得到被测物体的角度。图2-5 天线测角原理2.3脉冲体制脉冲多普勒雷达是利用信号频域特性分辨和检测目标的脉冲雷达。目标和干扰物相对于雷达的径向速度不同，回波信号也有不同的多普勒频率。可用频域过滤的方法选出目标的多普勒频率谱线，滤除干扰杂波的谱线，使雷达从强杂波中分离和检测出目标信号3。两者优缺点比较如下：表2-1 FMCW体制与脉冲体制对比FMCW体制脉冲体制工作原理通过发射频率调制的连续波信号从回波信号提取目标距离和速度信息利用信号频域特性分辨和检测目标优点使用环合器、混合接头方法使发射机和接收机隔离时间分割方法共用天
15、线可测量近至数米的距离收发距离高测量精确度较高距离分辨率高体制结构简单，调制方便体积小，重量轻缺点难以同时测量多个目标雷达信号发射之后收发开关的有限恢复时间使得近距离目标不能被检测收发之间隔离度较差距离分辨率与实际最大探测距离存在矛盾发射功率有限制发射机噪声影响接收机灵敏度综上，FMCW是在连续波雷达的基础上发展起来的，同时又具备了许多连续波和脉冲雷达所不具有的特点，一般汽车雷达系统倾向于采用结构简单，成本较低，适合做近距离探测的连续波雷达体制。2.4简单的射频系统方案这里以车载雷达系统方案为例，一般都会采用FMCW体制。图2-6 基本雷达系统框图 一个完整的雷达系统主要包括如图2-6的几个部分：发射机、接收机、信道与噪声等，对应实际中的微波组件即发射组件、接收组件、天线与射频源。3发射链路设计3.1 发射链路设计方案论文所设计的发射链路主要包括三个部分
