Ka波段小型化FMCW雷达低中频信号处理技术研究*

武青华，崔恒荣，孙朋飞，孙　芸，孙晓玮*

（1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050；2.中国科学院大学研究生院，北京100049）

Ka波段小型化FMCW雷达低中频信号处理技术研究*

武青华1，2，崔恒荣1，孙朋飞1，2，孙芸1，孙晓玮1*

（1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050；2.中国科学院大学研究生院，北京100049）

为了显著降低FMCW雷达后端数字信号处理电路的电路面积与电路成本，提出了低中频的设计思路，利用频谱搬移技术对目标信号进行下变频处理，使目标信号频率在20 kHz以下，相比直接对目标信号进行处理，A/D采样率得到减小，对3.5 m处的目标进行测试，测试结果得到目标频率从160 kHz有效的降低到了10 kHz，验证了低中频方法的可行性，满足小型化低成本雷达应用需求。

毫米波；信号处理；频谱搬移；低中频

近年来，随着毫米波芯片（MMIC）设计的不断成熟，毫米波技术在雷达探测、电子对抗、高速通信等方面得到了极大的发展与广泛的应用［1，2］。尤其是毫米波雷达研究的不断成熟，使其可以应用在汽车防撞、液位检测、安全防卫等方面［3-5］。由于毫米波沿自由空间传播时受到大气环境的制约，不同频段对应不同的传播衰减，在Ka波段、W波段频谱附近对应的传输衰减出现极小值，适合应用于雷达探测［6-8］。

本文搭建Ka波段FMCW雷达前端，并提出一种低中频的FMCW雷达信号处理方法，利用频谱搬移技术，使得到的目标信号频率在20 kHz以下，并对3.5 m处的目标进行了实际测量，测试结果有效地证明了低中频方法的可行性，满足了小型化雷达的应用需求。

1　FMCW雷达测距原理及前端架构

1.1FMCW雷达测距原理

FMCW雷达利用三角波对压控振荡器进行调制，通过功分器得到两路信号，一路信号作为发射，另一路信号直接输入混频器与目标反射信号进行混频，得到频率较低的中频信号，回波的中频信号中包含有目标的距离信息与速度信息，在经过信号处理既可以获得目标的有关信息［9-10］，本文主要针对中频信号中的距离信息进行提取与处理。如图1所示，反射信号与发射信号形状相同，只是在时间上延时Δt，Δt与目标距离的关系可以表示为Δt= 2R/c，R表示目标物体的距离，c为电磁波传播速度，ΔF表示VCO的调制带宽，fi表示距离信息对应的中频频率，根据三角形相似关系，可以得到距离R的计算公式表示如下

图1FMCW雷达测距原理

1.2Ka波段雷达系统架构

Ka波段雷达前端设计采用微带结构与单片毫米波芯片（MMIC）混合集成技术。系统架构如图2所示，收发天线采用单喇叭天线实现，利用极化隔离实现天线的接收与发射，已达到对系统小型化的要求。

选用Hittite公司的VCO实现8.5 GHz本振频率，Ka波段混频器、四倍频器与放大器均为实验室自主研发的芯片。为了减少电路损耗，选择低损耗正切角的Rogers 5880集成3块芯片，通过微带与波导的过渡结构连接喇叭天线。

图2　Ka波段雷达系统架构框图

2　低中频信号处理电路设计

2.1低中频测距原理

根据式（1）可得，不同的目标距离，对应不同的中频信号，距离信息对应的中频信号在100 kHz到1 MHz之间，为了减小对后续处理电路的性能要求，降低成本，提出了低中频信号处理方法，具体电路实现框图如图3所示。中频信号首先通过高Q值的低噪声放大滤波电路，对目标信息进行高选择性的提取，而后通过频谱搬移电路，有效的降低距离信息对应的中频信号频率，最后通过放大滤波电路输出信号到DSP进行后续处理。

针对不同距离的目标，各个模块电路的参数设置也各不相同。如图3所示，fi表示距离信息对应的中频频率，fmove表示倍频单元得到的信号频率，此时fIF=fi-fmove得到频谱搬移后对应的距离频率。调节后续的增益控制单元，进一步的放大信号，提高信噪比，对输出信号进行傅里叶变换，即可以得到频谱搬移后距离信息对应的中频频率。根据此频率fIF，反推得到不同距离对应的不同信号频率fi。

图3　低中频信号处理系统框图

2.2低中频电路实现

如图3所示，射频前端接收的信号首先通过一个可调的高Q值低噪声放大滤波电路，不同距离对应着不同的滤波频率。为了对距离信息进行向下的频谱搬移，更进一步降低距离信息对应的频率，在不引入额外频率分量的基础上，选择对三角波频率进行倍频得到fmove。利用Texas Instruments公司的锁相环芯片CD4046B与2-10进制BCD编码芯片CD40102实现倍频功能，具体电路连接如图4所示，空余管脚按照芯片要求与功能需要接高电平或者低电平，同时通过拨码开关控制CD40102芯片J0到J7的输入，不同的探测距离对应不同的fmove，灵活地选择频率倍数，得到不同的fmove。

CD4046B锁相环的工作原理是利用输出频率与VCO的振荡频率不断的进行比较，调整VCO的振荡频率，使其相近，同时进行相位比较，保证两者的相位差为一个定值，进一步实现相位锁定，从而得到稳定的输出频率。由于CD4046B内部采用的是RC型压控振荡器，所以需要外接R1和C1一同构成充放电回路，同时外接电阻R2对输入信号的频率带宽做跟踪。通过使电容C1的充电电流与CD4046芯片9脚输入的控制电压成正比，使VCO的振荡频率也正比于该控制电压。当信号从CD4046B芯片14脚（SIGIN）输入后，通过芯片内部的比较电路，经过外接R3、R4和C2构成的滤波电路，得到控制电压反馈到芯片的9脚（VCOIN），从而与3脚（COMPIN）处的频率进行比较。电路中把时钟信号作为输出信号，根据J0～J7不同的编码得到不同的CLK分频信号，作为CD4046B的比较信号，从而在CD4046芯片4脚（VCO OUT）处得到倍频信号作为输出。

图4　倍频电路芯片连接图

为了节省电路面积减小电路成本，选用三极管搭建混频电路。混频器一端输入为fi，另一端的输入为通过倍频电路产生fmove，经过选频网络得到二者频率之差的信号fIF，最后对信号进行进一步的放大滤波处理，得到频谱搬移后的低中频距离信号。图5所示为数字倍频电路与混频电路级联测试结果，测试中调整拨码开关得到三角波倍频频率200 kHz，混频器一端输入220 kHz正弦信号，可以看到图中包络为20 kHz，通过包络检波与滤波放大即可以得到频谱搬移后的低中频信号。

根据混频电路的设计与测试分析，距离信息的中频信号fi经过频谱搬移后可以有效的降低到20 kHz以下，极大程度了降低了对后续DSP处理电路的性能要求，减小电路成本。

3　测试结果与数据分析

3.1Ka波段雷达前端测试结果

制备的Ka波段雷达系统如图6所示，射频前端包括压控振荡器（VCO）、功分器、混频器与低噪声放大器，具体性能参数如表1所示。

图6　Ka-band雷达制备实物图

表1　Ka波段雷达射频前端测试结果

通过对雷达发射支路的测试，得到VCO的调节带宽，测试结果如图7所示，调节电压从0 V到3 V变化时，射频链路的输出频率从34.9 GHz变化到了39.5 GHz，根据测量结果，选择输出频率线性度最好的频段作为调制带宽，根据此，设计三角波调制信号选择在1.0 V到1.6 V之间。

图7VCO线性度测试结果

根据射频前端的测试结果，发射功率为12 dBm，输出功率为-10 dBm，对于被测目标距离大于10 m后，由于空间衰减增大，目标反射下变频后的差频信号已经非常微弱，信噪比很低，根据实际测试，制备的Ka波段雷达最远测试距离为10 m。

3.2低中频信号处理测试结果

利用制备的Ka波段FMCW雷达与设计的低中频信号处理电路，搭建FMCW雷达测试环境如图8所示，利用角反射器模拟被测目标。根据VCO频谱线性度的测量，三角波信号设置为Voffset=1.2 V，Vpp= 200m V。

图8FMCW雷达测试环境照片

对3.5 m处的固定目标进行了测试，选择25 kHz三角波作为调制频率，有效的避开FMCW距离信号频率与频谱搬移得到的低中频信号频率。通过三角波对VCO进行调制后，中频信号输出通过高选择性的前级放大滤波电路，由于三角波信号的泄露，得到的目标信号为以三角波调制频率为包络的正弦信号，如图9所示。

图9　载有距离信息的前级放大结果

在后续处理电路不仅要提取距离信号还要对泄露的三角波信号进行抑制。根据式（1）得到距离为3.5 m对应的频率为160 kHz，在频谱搬移电路中，选择三角波频率进行6倍频处理得到fmove=150 kHz，通过混频电路与后级放大滤波电路，得到10 kHz附近的低中频距离信息。如图10（a）、10（b）所示，图10（b）所示为经过傅里叶变换得到的频域信息，有效的提取出低中频所对应的距离信息，同时可以观察到泄露的三角波得到有效的抑制。

图10　低中频信号处理后的测试结果

3.3结果分析

根据图10（b）可得fIF=10 kHz，倍频电路设计得到fmove=6×25 kHz=150 kHz，由fi=fIF+fmove可以计算得到3.5 m处目标对应的中频频率为160 kHz，与理论计算结果相一致。由于制备的雷达可测最远距离为10 m，根据式（1）计算可得，此时距离信息对应的中频频率为460 kHz，调整放大滤波单元中心频率与通过拨码开关得到不同的频率倍数，即可以完成10 m处距离信号的频谱搬移。对于更远的目标探测，增加雷达发射功率，提高中频信号信噪比，低中频信号处理方法同样适用。

表2列出了直接信号处理与低中频信号处理主要电路参数，可以得到经过频谱搬移后，降低了后续电路的A/D采样率与DSP运算速度，减小了电路面积与成本，可以有效的满足小型化低成本的雷达系统应用需求。

表2　低中频信号处理与直接处理电路对比

4　结论

本文提出了一种基于FMCW雷达低中频的信号处理方法，可以有效的降低后续处理电路的采样频率与电路成本，通过对3.5 m处的目标进行测试，使原有的目标信号从160 kHz降低到了10 kHz，成功验证了信号处理方法的可行性与正确性，为后续DSP信号处理奠定了良好的基础。提出的信号处理电路不仅适用于Ka波段雷达，也可以应用于其他波段雷达，满足小型化低成本的雷达应用需求。

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武青华（1991-），男，山西忻州人，汉族，中科院上海微系统与信息技术研究所，硕士研究生，研究方向为射频/毫米波集成电路设计，wuqh@mail.sim.ac.cn；

孙晓玮（1958-），女，陕西西安人，汉族，中科院上海微系统与信息技术研究所，研究员，博士研究生，研究方向为射频/毫米波器件单片集成电路及其相关毫米波雷达探测器等，xwsun@mail.sim.ac.cn。

Design of Low-IF Signal Processing Technique for Ka-Band Compact FMCW Radar*

WU Qinghua1，2，CUI Hengrong1，SUN Pengfei1，2，SUN Yun1，SUN Xiaowei1*
（1.Shanghai Institute of Micro-system and Information Technology，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200050，China；2.Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

For decrease the circuit size and cost of signal processing circuits，the low-intermediate frequency（IF）signal processing method is proposed that using the spectrum moving technique makes the frequency of the target under 20 kHz and reduces the A/D sampling rate.Test results of the target at 3.5 m obtain the distance frequency reduction from 160 kHz to 10 kHz that verifies the proposed low-IF signal processing method can meet the miniaturized and low-cost radars application.

Millimeter-wave；signal processing；spectrum move；low-IF

TN957.5

A

1005-9490（2016）05-1113-05

项目来源：中科院方向性项目（KGF2D-125-14-013）

2015-10-27修改日期：2015-11-17

EEACC:6140；631010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.019