24GHz雷达传感器的研究与设计

摘要

基于24GHz雷达系统可用于远距离测速、测距。利用24GHz ISM频段内的微波信号探测远距离目标时，入射波信号遇到目标有一部分会被反射，如果是静止的目标，回波信号将会有时间延迟，如果是运动目标，回波信号将会发生多普勒效应。回波信号与入射波信号进行混频后输出的中频（IF）信号含有目标的多普勒信息，利用一定的信号处理技术，可以从中提取出与目标相关的速度、距离以及运动方向等信息。基于24GHz雷达具有穿透能力强、抗干扰性能好等优点，它可以应用于汽车防撞、无人机软着陆、机器人避障以及智能家居等应用领域中。　　本文主要研究基于24GHz雷达传感器的系统设计和信号检测两个方面。前者通过合理的方案设计，改善整个系统的复杂度、信号处理方式，采用高度集成技术和可编程控制方式提高硬件系统模块化程度和调试方便性；后者采用可编程滤波器IC与低噪声中频放大器，提高对射频前端提供的低幅度IF信号的识别能力。本文主要以24GHz雷达传感器系统的实现为目的，分以下几个部分对整个课题的研究过程进行记录、总结和归纳：　　1、FMCW雷达测距、测速原理。通过对相关论文、期刊等文献资料进行查阅，详细了解FMCW雷达的原理框图，在此基础上运用公式推导FMCW雷达实现的理论过程。进一步加深了对FMCW雷达的理解，这些信息对雷达系统的整体设计有着重要的意义。　　2、提出一种基于24GHz的FMCW雷达系统的实现方案。此雷达实现方案，以单片微波集成电路（MMIC）代替传统的分立元件设计的T/R组件，采用PLL频率合成方案。大大降低了体积、功耗和成本。另外，在中频信号的处理上，采用可编程滤波器和低噪声放大器。可编程滤波器具有截止频率精确可调、相位匹配度高并且内置可控增益放大器等优势，极大地提高了信噪比，在一定程度上弱化了FMCW雷达系统的低频干扰。但是，这也限制了雷达系统可以测量的最小距离。选用极低噪声的放大器对中频信号进行放大，进一步提高了对有用信息的提取能力。　　3、运用HFSS电磁仿真软件仿真设计基于24GHz雷达系统的收发天线。首先了解HFSS电磁仿真软件，掌握软件用法。在此基础上，结合微带贴片天线基础理论设计单个天线单元，然后运用四分之一波长变换原理和切比雪夫最佳系数分配比为整个天线阵列设计馈电网络。天线的总增益达到12dBm，波束宽度达到25° × 75°以内。　　4、基于IAR软件编写系统软件。首先编写各个组件的控制部分，验证雷达系统的每个组件都能够正常工作。然后是对IF信号的检测。

目录

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题主要工作

1.4 本论文主要工作及章节

第二章 FMCW雷达原理

2.1 引言

2.2 FMCW雷达基本原理

2.2.1 三角波调频FMCW雷达测距原理

2.2.2 三角波调频FMCW雷达测速原理

2.2.3三角波调频FMCW雷达测向原理

2.3 FMCW雷达传感器指标参数及理论计算

2.3.1. 扫频带宽

2.3.2 扫频周期

2.3.3 ADC采样速率

2.3.4 FFT点数

2.4 本章小结

第三章 基于24GHz雷达传感器硬件系统设计

3.1 引言

3.2 FMCW雷达硬件原理

3.2.1 频率源

3.2.2 发射支路

3.2.3 接收支路

3.2.4 信号处理

3.3 FMCW雷达硬件选型及电路设计

3.3.1 射频收发

3.3.2 频率合成

3.3.3 中频信号滤波和放大

3.3.4 信号处理器

3.4 本章小结

第四章 基于24GHz雷达传感器的天线仿真设计

4.1 引言

4.2 微带天线简介

4.2.1 矩形微带贴片天线的分析方法

4.2.2 矩形微带贴片天线的微带线馈电

4.2.3 微带贴片天线阵列

4.3 微带贴片天线仿真设计

4.3.1微带贴片单元设计

4.3.2 微带贴片天线阵列设计

4.4 本章小结

第五章 基于24GHz雷达传感器软件设计及测试

5.1 引言

5.2 系统软件总体框图及平台搭建

5.3 模块控制程序设计

5.3.1 频率合成模块控制程序设计

5.3.2 T/R模块控制程序设计

5.3.3 滤波模块控制程序设计

5.4 雷达信号分析及处理

5.5 测试数据

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录A

附录B

攻读学位期间取得的研究成果