一种77GHz毫米波射频器件及其使用方法

摘要

一种77GHz毫米波射频器件及其使用方法，属于毫米波雷达技术领域，77GHz毫米波射频器件包括数字信号处理器、直接数字式频率合成器、上变频器、功率放大器、缓冲器、发射天线、接收天线、低噪声放大器、接收端的混频器、可变增益放大器、解调模数转换器。优点在于，可以广泛的应用于毫米波测距测速雷达系统中，采用77GHz作为毫米波雷达工作频带并结合以LTCC为衬底制造微带贴片天线作为天线单元的相控阵天线技术；采用直接数字式频率合成器并结合上变频技术生成线性调频连续波；采用多个发射机单元并结合相控阵天线技术实现毫米波波束的水平扫描。

说明书

技术领域

本发明属于毫米波雷达技术领域，提供了一种77GHz毫米波射频器件及其使用方 法，适用于在毫米波测距测速雷达中的应用，其典型应用是汽车前向防撞雷达系统。

背景技术

智能交通系统ITS(Intelligent TraIlsponation System)是目前世界上交通运输 科学技术的前沿技术；近年来，随着智能交通系统在全球范围内的兴起，汽车前向防撞 雷达系统作为重要研究内容之一，获得了日益广泛的关注。

汽车前向防撞系统是以雷达测距、测速为基础的。常用的测距、测速雷达有超声 波、红外线、激光雷达、毫米波雷达等。

其优点和缺点如表1所示：

表1 不同探测方式优缺对比

  超声波   红外线   激光雷达   毫米波雷达   探测方向性   弱   弱   强   强   探测距离   5m-20m   5m-20m   200m   250m-300m   受外界环境影响   受温度影响   受温度影响   受能见度影响   不受外界环境影响   成本   低   低   高   一般   体积   小   小   一般   小   人体安全   安全   安全   不安全   安全

通过表1的对比可见，毫米波测距、测速雷达的综合性能最好，最适合应用于汽 车前向防撞系统。毫米波雷达的主要优势在于：

1、方向性强：在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多，可以分辨 相距更近的小目标或者更为清晰地观察目标的细节；

2、受外界影响小：与超声波、红外和激光相比，毫米波的传播受外界环境(如温 度，能见度)的影响要小得多，可以认为具有全天候特性；

3、器件体积小：和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多，因此毫米波系统更 容易小型化。

毫米波频率资源非常丰富，范围为26.5～300GHz，带宽高达273.5GHz；目前主要 集中于4GHz，35GHz，60GHz和77GHz四个波段。

其中77GHz具有天线尺寸小、目标分辨率高、波束方向性好的优势，国际上普遍 认可77GHz是最适合汽车防撞雷达的工作频段。欧洲已经规定77GHz作为汽车防撞雷 达的工作频段，中国国家原信息产业部于2005年9月5日发文，将车辆测距雷达使用 频率76-77GHz列入国家无线电频道计划。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种77GHz毫米波射频器件及其使用方法。

本发明的77GHz毫米波射频器件包括数字信号处理器、直接数字式频率合成器、 上变频器、功率放大器、缓冲器、发射天线、接收天线、低噪声放大器、接收端的混 频器、可变增益放大器、解调模数转换器。

数字信号处理器通过I2C通信接口连接直接数字式频率合成器，直接数字式频率 合成器通过射频信号线连接上变频器，上变频器通过射频信号线连接功率放大器和缓 冲器，功率放大器通过射频信号线连接发射天线，发射天线发射的射频信号通过障碍 物反射的回波信号输入到接收天线，接收天线通过射频信号线连接低噪声放大器，缓 冲器和低噪声放大器通过射频信号线连接到接收端的混频器，接收端的混频器通过射 频信号线连接可变增益放大器，可变增益放大器通过射频信号线连接解调模数转换器， 解调模数转换器通过高速数字并行接口线连接数字信号处理器。如图1所示。

77GHz毫米波射频器件的结构如图1所示：

1、数字信号处理器是本器件的中央处理单元，主要有两个功能，

控制直接数字式频率合成器的参数初始化和启动/停止；

解调模数转换器输出的数字信号，提取信号中的频率信息，通过公式转换输出目标 的距离和相对速度信息；

2、直接数字式频率合成器产生三角波线性调频连续波(LFMCW)信号，作为调制 信号的三角波，其表达式如公式1所示，如图2所示。式中，f_o为调制信号中心频率， B为调频带宽，调制信号斜率为其中T为调制周期。

$f_o\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}{f}_o-\frac{B}{2}+\mathrm{\alpha t},& 0\le t\le \frac{T}{2},\\ f_o+\frac{B}{2}-\alpha (t-\frac{T}{2}),& \frac{T}{2}\le t\le T,\end{array}\right)$$\alpha =\frac{2B}{T}$

公式1

3、上变频器通过多级上变频电路，将中频信号f_o(t)上变频到77GHz毫米波频段的 毫米波信号f_H(t)，上变频电路如图3所示；中频信号f_o(t)通过混频器和毫米波本振信 号f_H进行混频，混频信号通过毫米波频带的射频带通滤波器后，提取高频信号。通过 多级上变频电路后，中频信号f_o(t)被调制到77GHz毫米波频带。

4、功率放大器采用砷化镓毫米波放大器将77GHz毫米波信号f_H(t)放大到10dBm (10mW)左右的信号；输出到发射端的微带贴片阵列天线；

5、缓冲器用于将77GHz毫米波信号f_H(t)连接到接收端的混频器，作为接收端混频 器的本振信号，用于解调接收到的反射信号中的中频信息；

6、发射天线和接收天线的结构相同，以发射天线为例，其采用4个天线单元，每 个天线单元为2X2以LTCC为衬底制造微带贴片天线，经过HFSS仿真验证每个天线单 元增益可以达到10dBi，而在主瓣30度偏移角的方向有6.95dbi的增益。

为了达到波束角度小于6度，需要4个相控阵的阵元，采用HFSS仿真一个4X1的 相控阵列，得到该方向上的主瓣宽度为6度，增益为15.6dbi，如错误！未找到引用源。 阵列大小为2.6mmX0.6mm。

发射天线和接收天线各采用线性天线阵列，如图4所示的天线阵列，并通过距离 拉远保证双工隔离度。

7、低噪声放大器用于放大来自接收天线的目标反射的回波信号，由于发射信号和 接受的回波信号均为77GHz毫米波射频信号，因此要求低噪声放大器可以工作于77GHz 毫米波频段。

8、接收端的混频器用于将回波信号和发射信号的一部分进行相干混频，混频信号 通过低通滤波器后，得到包含目标的距离和速度信息的中频信号f_L(t)；

9、可变增益放大器可以根据数字信号处理器的反馈动态调整接收端混频器输出的 中频信号f_L(t)的信号强度，以适用于模数转换器的输入动态范围。

10、解调模数转换器将中频信号f_L(t)转换成数字信号，以便于数字信号处理器对 数字中频信号进行检测，得到目标的距离和相对速度。

本发明所诉的一种77GHz毫米波射频器件可用于线性调频连续波(LFMCW)毫米波 测距测速雷达。

本发明的使用方法为以三角波(如图2所示)为调制信号，通过直接数字式频率合 成器产生中频线性调频连续波(LFMCW)，并通过上变频器将中频信号f_o(t)上变频到 77GHz毫米波频段的毫米波信号f_H(t)，通过射频放大器和发射天线将20dBm左右的 77GHz毫米波信号f_H(t)发射到探测方向；

发射信号碰到目标物体后被反射回来，产生回波信号；接收天线接收到的回波信号 通过射频低噪声放大器的放大后，回波信号f_R(t)的幅度得到适度调整；

回波信号和发射信号形状相同，如图5，在时间上延迟了τ，在频率上相差由于目 标的相对运动引起的多普勒频移f_d；τ的表达式如下，其中R为目标物体的距离，c 为光速。

$\tau =\frac{2R}{c}$

公式2

回波信号f_R(t)和发射信号f_H(t)的一部分通过混频器进行混频；发射信号f_H(t)与 回波信号f_R(t)的频率差(绝对差值)即为混频输出的中频信号频率f_b+/f_b-，如图5 所示，在三角波的上升沿和下降沿中频信号的频率可分别表示如下，

f_b+＝f_m-f_d     公式3

f_b-＝f_m+f_d     公式4

上两式中f_m为目标物体相对静止时中频信号的频率，f_d为多普勒频移。

$f_m=\frac{4\mathrm{BR}}{\mathrm{cT}}$公式5

$f_d=\frac{2f_{H}v}{c}$公式6

公式7中f_H为发射信号的中心频率，v为目标的相对运动速度，v的符号由目标 相对运动的方向决定，通常规定目标靠近雷达系统时为正值，反之为负值；

联立以上公式，可求得目标的距离R和相对速度v表达式如下，

$R=\frac{\mathrm{cT}}{8B}(f_{b-}+f_{b+})$公式7

$v=\frac{c}{4f_H}(f_{b-}-f_{b+})$公式8

以上两式是在目标处于相对运动状态下推导出来的，对于相对静止的目标同样适 用；因此，在实际应用中，不管目标是处于相对运动还是相对静止，只要分别求出调 制三角波在上升沿和下降沿的中频信号的频率f_b+/f_b-，就可以利用以上公式8和公式 9来计算目标的距离R和相对速度v信息。

为了解调中频信号的频率信息f_b+/f_b-并实施公式8和公式9的运算以计算目标的 距离R和相对速度v信息，需要利用可变增益放大器和模数转换器对中频信号进行采 样，采样频率应大于两倍中频信号频率，f_s＞max(2f_b+，2f_b-)，通常采用最大的中频信 号频率的4倍，

$f_s=4f_{m\_\max }=4\frac{4B{R}_{\max }}{\mathrm{cT}}$公式9

R_max是设计最大探测距离。

数字信号处理器通过快速傅里叶变换得到在三角波上升沿和下降沿中频信号的频 率信息f_b+/f_b-，通过公式8和公式9计算得到目标的距离R和相对速度v信息。

本发明的典型应用是汽车前向防撞雷达系统。采用77GHz作为毫米波雷达工作频 带并结合以LTCC为衬底制造微带贴片天线作为天线单元的相控阵天线技术；采用直接 数字式频率合成器(DDS)并结合上变频技术生成线性调频连续波(LFMCW)；采用多个 发射机单元并结合相控阵天线技术实现毫米波波束的水平扫描。

发射天线和接收天线采用相同的结构；发射/接收天线采用线性天线阵列，在实例 中采用4个天线单元的直线阵列；每个天线单元采用2X2以LTCC为衬底制造微带贴片 天线；

采用直接数字式频率合成器(DDS)并结合上变频技术生成线性调频连续波，采用 DDS技术实现线性调频连续波；线性调频连续波为三角波，在实例中三角波调制周期为 2ms，调频带宽为250MHz；采用上变频方式调制到77GHz载波上。

采用多个发射机单元并结合相控阵天线技术实现毫米波波束的水平扫描，采用多 个发射机单元，在实例中采用4个发射机单元；相控阵的相位扫描通过多个发射机单 元的相位调制实现，在实例中水平扫描角度为30°(+/-15°)。

附图说明

图1为77GHz毫米波射频器件的结构。

图2为三角波波形示意图。

图3为上变频电路示意图。

图4为8X8(4X(2X2))贴片天线阵列。

图5为目标的回波信号。

图6为汽车前向防撞雷达系统的典型应用示意图。

具体实施方式

本发明的77GHz毫米波射频器件包括数字信号处理器、直接数字式频率合成器、 上变频器、功率放大器、缓冲器、发射天线、接收天线、低噪声放大器、接收端的混 频器、可变增益放大器、解调模数转换器。

数字信号处理器通过I2C通信接口连接直接数字式频率合成器，直接数字式频率 合成器通过射频信号线连接上变频器，上变频器通过射频信号线连接功率放大器和缓 冲器，功率放大器通过射频信号线连接发射天线，发射天线发射的射频信号通过障碍 物反射的回波信号输入到接收天线，接收天线通过射频信号线连接低噪声放大器，缓 冲器和低噪声放大器通过射频信号线连接到接收端的混频器，接收端的混频器通过射 频信号线连接可变增益放大器，可变增益放大器通过射频信号线连接解调模数转换器， 解调模数转换器通过高速数字并行接口线连接数字信号处理器。如图1所示。

图5是汽车前向防撞雷达系统的典型应用示意图，前向防撞雷达系统利用雷达技 术探测车辆前方目标(障碍物)的距离和相对速度，跟踪车辆前方一定范围内的多个 目标，将跟踪目标的距离和相对速度信息实时输出给系统主控控制单元，系统主控控 制单元根据这些信息可以综合判断前方目标的威胁，对前方的危险进行判断，为车辆 驾驶人员提供预警信号或者根据威胁的情况结合汽车自动控制系统采取主动避险措 施。

以汽车前向防撞雷达系统为实施例，本发明中的77GHz毫米波射频器件的主要技 术指标见表2

表2.77GHz毫米波射频器件在汽车前向防撞雷达系统的主要技术指标

项目 典型指标   可选指标 工作频段f_H77GHz   - 调制方式 线性调频连续波(LFMCW)   三角波数字调频 调频带宽B 250MHz   100M～300M 三角波调制周期T 2ms   1ms～3ms 设计最大探测距离R_max300m   150m～300m

  上变频器级数  2(1GHz→10GHz→77GHz)   2级为最优设计   发射信号强度  20dBm   20dBm～30dBm   模数采样器采样频率f_s 2MHz   可根据公式10计算