X波段调频连续波雷达收发前端的设计.pdf

1、 硕 士 学 位 论 文 题 目 :X 波段调频连续波雷达收发前端的设计 研 究 生 刘恩晓 专 业 电磁场与微波技术 指导教师 汪 海 勇 研究员 完成日期 2012 年 12 月 杭州电子科技大学硕士学位论文 X 波段调频连续波雷达收发前端的设计 研 究 生： 刘恩晓 指导教师： 汪海勇 研究员 2012 年 12 月 Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi University for the Degree of Master The Receive and Transmit Front -end Design of X -band and F

2、requency Modulated Continuous Wave Radar Candidate: Liu Enxiao Supervisor: Wang Haiyong December， 2012 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日

3、学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关 于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学和中国电子科技集团公司第五十研究所共同所有。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 杭州电子科技大学硕士论文 I 摘要 线性调频连续波雷达 （ LFMCW） 的低发射功率， 高测

4、距精度，无测距盲区，结构简单的优点使其越来越受到人们的重视，现在已经广泛应用于军事和民用领域。 本文首先介绍了调频连续波雷达的研究背景 以及 基本组成结构和概念， 然后 在此基础上分析了对称 性 三角形线性调频连续波雷达的基本工作原理，并且通过和脉冲雷达相比较， 分析了其独特的 优越性。 本文主要研究设计了 X 波段调频连续波雷达收发前端，主要包括频率源的设计，收发 前端 电路的设计和指标分配以及 前端 中滤波器和定向耦合 器 的设 计仿真 以及 仿真结果 分析 。频率源的设计是本次设计的重点 。 为得到对称性三角形线性扫频源，本文 在 设计 之初考虑了 两种方案。方案一是采用压控振荡器（ V

5、CO） 作为频率源 ，选用美国 Mimix 公司 的裸芯 GaSe场效应晶体管 CF001-01 模型 和 MA-COM 的 变容二极管 MA46H504 模型 ，采用双变容管并联接入的方式，使用软件 ADS2009 进行了设计仿真 并对仿真结果进行了分析 ，最终的设计指标为输出频率范围是 10.16GHz 10.71GHz，输出功率是 10dBm 0.2dBm，线性度为 1.5%，相位噪声低于 -85dBc/Hz10KHz ； -103dBc/Hz100KHz。方案二是采用 PLL+DDS+四倍频的方法来设计频率源 ， PLL 的 输出 频 率 作为混频器的本振信号， DDS 输出扫频信号输

6、入到混频器的 RF 端， 然后 经 过 混频器上变频后，再 经 滤波 器和四 倍频 器 后 整个频率源的设计系统就完成了 。 PLL 的设计是基于 ADI 公司的芯片 ADF4350， 测试数据 为 输出频 率为 2.7GHz，功率 为 5.4dBm；相位噪声为 -92dBc/Hz10KHz, -96dBc/Hz100KHz；杂散抑制为 45dBc。DDS 的设计是基于 ADI 公司的 AD9910， 测试数据为 频率范围为 187.5MHz 到 287.5MHz， 步进 频率 200Hz，步进时间 10ns，调制周期 10ms， 输出功率大约 -4dBm 左右 ， PLL 和 DDS 的控制

7、都是通过单片机 来 实现的 。由于频率源的 线性度 和稳定度 是 本文 重点考虑的指标， 通过对两种方案的比较 ，方案二能够 更好 的达到本次设计的要求 ，最终选择方案二作为频率源的设计方案 。 本文还对 收发前端 系统中的 用到的 滤波器和定向耦合器进行了相关 理论的研究和设计仿真 ，并对仿真数据进行了分析 。 最后 本文用软件 ADS2009 对 收发前端进行了链路仿真 ，并 对本次 设计 进行了 总结， 找出设计中存在的不足之处加以改正，对下 一 步的研究进行了展望 。 关键字 ： LFMCW ， 锁相环 ， DDS， ADF4350， AD9910， 压控振荡器 杭州电子科技大学硕士论

8、文 II ABSTRACT Linear frequency modulated continuous wave radar (LFMCW) has many advantages, such as high measurement precision, no measurement blind section, simple structure, which attracts more and more peoples attention. It has been widely used in military and civilian field. This paper firstly i

9、ntroduces the Linear frequency modulated continuous wave radars research background, the basic buildup structure and conception. Then it analyses how the symmetrical triangle LFMCW works and the particular advantages compared with the impulse radar at the basic. This paper mostly studies and designs

10、 the receive and transmit front end design of an X-band Linear frequency modulated continuous wave radar, including the design of frequency fountain, the design of the receive and transmit front end, the estimation of index mark, the design process of filter and directional coupler with the simulati

11、on result.In this paper, the most important part is the design of frequency fountain. In order to get the symmetrical triangle frequency fountain, this paper thinks about two schemes at the beginning of the design. In the first scheme, this paper takes voltage-controlled-oscillator as the frequency

12、fountain. It uses software ADS2009 to design and simulate, which chooses the model of nakedness chip GaSe FET CF001-01 of American Mimixs company and the model of MA-COMs varactor diode MA46H05 and the parallel conection way of two varactor. At the end ,this paper analyses the result ,the finally re

13、sult is that the range of the output frequency is from 10.16GHz to 10.71GHz;output power is 10dBm 0.2dBm; the linearity is 1.5%;the phase noise is less than-89dBc/Hz10KHz ； -103dBc/Hz100kHz. In the second scheme, this paper adopts the method of PLL+DDS+four-mutiplier to realize the frequency fountai

14、n. The PLLs output signal is the mixers LO signal; the DDSs out sweep frequency signal supplies for the mixers RF end to up-conversion. At the end, through the filter and four-multiplier, the whole frequency fountain system is completed. The design of PLL is base on the ADI company chip ADF4350, the

15、 test data is that output frequency is 2.7GHz;the output power is 5.4dBm;the phase noise is -92dBc/Hz10kHz, -96dBc/Hz100kHz； spur restrain is 45dBc.the design of DDS is based on ADI company AD9910,the test data is that the range of frequency is 187.5MHz to 287.5 MHz; frequency step is 200Hz;step tim

16、e is 10ns;modulated period is10ms;output power is about -4dBm.the control part of DDS and PLL is realized by MCU. As the result of the fountain frequencys linearity and stability are the most important index that this paper needs to consider, the second scheme can satisfy the demand, so this paper f

17、inally chooses the second scheme to design frequency fountain. This paper also studies, designs and simulates the filter and directional coupler 杭州电子科技大学硕士论文 III used in the receive and transmit frontend and also analyzes the simulation data. Finally, this paper use the software ADS2009 to simulate

18、the circuit of the receive and transmit frontend, then summarizes the whole design process, finds out the demerit, corrects it and looks forward the future of the next research. Keywords: LFMCW， phase-locked-loop， DDS， ADF4350， AD9910， voltage-controlled-oscillator 杭州电子科技大学硕士论文 IV 目录 摘要 . I ABSTRACT

19、 II 第 1 章 绪论 1 1.1 课题研究背景及意义 1 1.2 国内外的发展概况 1 1.2.1 国外的研究进展 . 1 1.2.2 国内研究进展 . 2 1.3 本论文的主要任务 2 第 2 章 测距雷达的基本理论分析和收发前端的方案设计 4 2.1 测距雷达的基本工作原理 4 2.1.1 脉冲法测距的基本工作原理 . 4 2.1.2 三角形线性调频连续波雷达测距的基本原理 5 2.2 线性调频连续波雷达 (LFMCW)的优缺点 7 2.2.1 线性调频连续波雷达 (LFMCW)的优点 . 7 2.2.2 线性调频连续波雷达 (LFMCW)的缺点 . 8 2.3 整体方案的设计 8 2

20、.3.1 X 波段调频连续波雷达收发前端的主要指标 . 8 2.3.2 收发前端指标的确定 10 2.3.3 收发前端的方案框图 . 11 2.3.4 指标分配 . 11 2.4 本章小结 . 12 第 3 章 X 波段压控振荡器的设计 13 3.1 振荡器的原理和设计 13 3.1.1 反馈型振荡器的基本原理 . 13 3.1.2 负阻的概念 . 14 3.2 振荡器的相位噪声 . 18 3.2.1 振荡器的 Leeson 相位噪声模型 . 19 3.2.2 降低相位噪声的措施 . 21 3.3 VCO 的的仿真设计与分析 . 21 3.3.1 指标要求 . 21 3.3.2 电路的设计及仿

21、真分析 21 3.4 本 章小结 . 23 第 4 章 PLL+DDS+四倍频频率源的设计 24 4.1 PLL+DDS 频率合成方案 . 24 4.2 频率源的设计方案 . 25 4.2.1 频率源的指标要求 25 杭州电子科技大学硕士论文 V 4.2.2 X 波段频率源设计框图及指标分配 . 25 4.2.3 各模块的选取及设计 27 4.3 锁相环 PLL 的原理及设计 . 28 4.3.1 锁相环技术的原理 . 28 4.3.2 锁相环的原理框图及数学模型 . 28 4.3.3 鉴相器的数学模型 . 28 4.3.4 压控振荡器的数学模型 . 29 4.3.5 环路滤波器 . 30 4

22、.3.6 锁相环的线性相位模型和基本方程 . 31 4.3.7 锁相环路的噪声分析 32 4.4 锁相环电路的设计及实现 34 4.4.1 锁相环的设计指标 . 34 4.4.2 器件的选取 . 34 4.4.3 环路滤波器的设计 . 35 4.4.4 锁相环内部寄存器参数的设置 . 36 4.4.5 ADF4350 版图的设计 37 4.4.6 30MHz 参考晶振的设计 . 38 4.4.7 锁相环的实物及性能测试 . 39 4.5 直接数字频率合成技术的理论分析及设计 41 4.5.1DDS 的原理及结构 . 41 4.5.2 频率合成器的指标 42 4.5.3 DDS 的设计指标 42

23、 4.5.4AD9910 功能简介 . 42 4.5.5 数字斜坡工作模式 . 44 4.5.6 DDS 系统的设计及实现 47 4.6 PLL 和 DDS 混频测试 48 4.7 本章小结 . 49 第 5 章 定向耦 合器和滤波器的设计 50 5.1 定向耦合器简介 50 5.2 定性耦合器的网络分析 51 5.2.1 定向耦合器的 S 参数 . 51 5.2.2 定向耦合器的主要参数 . 53 5.3 定向耦合器的设计及仿真分析 54 5.3.1 设计指标： . 54 5.3.2 平行耦合线定线耦合器的原理图和版图 . 54 5.3.3 仿真结果分析 . 54 5.4 滤波器的设计及仿真

24、分析 55 5.4.1 滤波器的简介 . 55 5.4.2 滤波器的理论基础 . 55 5.4.3 低通滤波器原型的设计 . 59 5.5 平 行耦合微带线带通滤波器的设计 . 65 5.5.1 滤波器的指标 65 杭州电子科技大学硕士论文 VI 5.5.2 平行耦合线带通滤波器的原理图 65 5.6 400MHz 低通滤波器 的设计 67 5.7 本章小结 67 第 6 章 收发前端的仿真与分析 68 6.1 前端器件的选取 68 6.2 系统的链路仿真 71 6.3 本章小结 . 72 第 7 章 总结 73 致谢 74 参考文献 75 附录 77 杭州电子科技大学硕士论文 1 第 1 章

25、 绪论 1.1 课题研究背景及意义 对 目标信息的探测一直以来都 是 人们关注 的焦点 。 雷达 是 通过 电磁波来完成 对 目标 信息探测的设备 。它的基本工作原理是，发射机发 送 的信号 在 被远距离的目标反射 后 ， 信号 进入到 接收机 中 完成 信号 的 检测。飞机、炮弹、山川、云雨等等都可以 作为 雷达的探测目标 。 现如今 ， 随着科技的飞速发展，雷达无论是在技术上还是理论上都有所提高。 雷达系统的应用范围 也越来越 广。民用 领域 ，近距离探测技术的 发展 日 渐 成熟 。由于人们对汽车安全的重视 程度越来越高 ，对测量汽车前 方 几十米到几百米之间的障碍物 的距离和 速度等信

26、息 引起了科研人员的兴趣 。石油 和 油料等行业，使用液位测量系统对油罐内的 液体 进行监控和 测量。军事领域，导弹引信雷达用来测量弹头附近的目标及其距离， 从而控制 爆炸 的时间 以 提高命中率。战场监视雷达 用来测定目标的坐标。弹迹探测雷达对炮弹的飞行轨迹和 爆炸 地 点的位置进行 精确的 探测， 通过返回校正信息 来 修正发射 导弹 的 参数， 以 提高炮弹的命中率 1。 由于信号 调制波形的不同，可将雷达分为 连续波雷达 ， 编码雷达 ， 和 脉冲雷达等。 若发射的是连续波信号，则这种体制的雷达为连续波雷达，连续波雷达和脉冲雷达相比具有更优越的性能，科学技术的进步使微波固态器件更加的简

27、单实用， 体 积小 、重量 轻、成本低 、结构简单的连续波雷达 实现起来越来越简单 。 与 脉冲雷达接收机 相比， 连续波雷达接收机的带宽 更 窄， 因此在抗干扰和抗 杂波方面更加的优越 。 通过对 雷达 技术 理论 的相关学习 可知 ， 信号的强弱决定了雷达的实际探测能力，信号的带宽则决定了雷达的距离分辨能力 ， 天线相对于波长 的 尺寸 决定了雷达的角分辨能力 。连续波雷达容易获得大的信号能量，得到大的时宽带宽积，具 有 良好的距离 分辨力 和多普勒分辨力 。连续波雷达是一种低截获 并 具有较强的反侦察能力 的雷达 。 1.2 国内外 的 发展 概况 1.2.1 国外 的 研究 进展 19

28、98 年 ， David L.McClanahan 等诸位 美国的 科研人员， 研究了一套 采用脉冲体制的 雷达测 距 系统。 中心 频率 为 3.2GHz， 被测目标位于 距雷达 0.33m 处时，测试数据是 0.32m； 位于 0.67m 处 时，测试数据是 0.68m； 位于 1m 处 时，测试数据是 1.01m， 测试数据的误差是10%。 1999 年， David D. Li 等人研制了能够获得障碍物的距离和角度信息的调频连续波脉冲雷达。 该雷达的 工作频率为 77GHz， 该雷达的发射信号的线性度优于 0.5 ，测量的最大距离是100m，测距的分辨力 小于 1m，灵敏度和方位角的准

29、确度为 0.1， 由于系统结构简单，因此可以广泛的应用于汽车防撞 的 系统中。 杭州电子科技大学硕士论文 2 1999 年， William H. Haydl 等人 研制出一 套 FMCW 雷达 ，该雷达集成在一块芯片上，面积仅为 0.8mm2。 中心频率为 94GHz， 直流输入功率 为 0.7W， 射频功率 为 10mW， 接收机的指标为 6dB 的 噪声系数， 10dB 的增益 。 对金属目标进行检测时 ，目标距离变化 1m 频差 变化 4MHz。 整个前端包括带宽为几个 GHz 的 VCO，功放，低噪放，混频器和定向耦合器组成。 2003 年 ， 德国学者 Thomas Musch 采

30、用 N 分频锁相环技术，设计了 一套 FMCW 雷达系统， 该 系统 的工作频率为 24GHz，发射信号带宽为 3GHz， 系统的 线性度在 10e-8 的数量级，所以测试结果能够更 加精确。 高线性度，大带宽的发射信号以及使用 相位斜率算法 对数据进行处理，使测量误差极小在 0.8mm 左右 2。 1.2.2 国内研究 进展 1996 年，清华大学冯正和等 诸位教授，经过潜心的研究， 研制了 8mmFMCW 雷达 前端 ，该系统的 带宽为 500MHz， 输出功率为 50mW， 扫频时间为 50us，线性度为 0.05%。该雷达系统能够实现的距离分辨力 达到 0.28m。 2001 年，齐国

31、清 等教授们对 液位测量雷达系统进行了研究，该 FMCW 系统的中心频率是 10GHz，调制带宽是 1.5GHz，调制周期 20ms。 同时，对 VCO 进行了闭 环校正 ，再加上应用 FFT 算法，使得测量精度在 1mm 左右 ， 从而 提高了测 量的精度 。 2002 年， 盛怀茂等诸位专家 研制出 一套 毫米波防碰撞雷达系统 SAE-100。该系统的工作的中心频率为 28.8GHz，调制带宽 20MHz， 该雷达的测量距离最大超过 100m， 对速度的测量超过 100km/h。 前端主要有高线性度的 VCO、环形器、定向耦合器、混频器、滤波器和喇叭天线。 2005 年，杨石玲等 诸位西安

32、电子工程研究所的科研人员研制了一套近距离测距 雷达， 该雷达的中心频率位于 W 波段， 频率源是通过将 C 波段 线性扫频源 倍频后 得到的 。 线 性扫频源的 带 宽 为 300MHz， 周期为 1ms， 发射功率 为 90mW 左右 ， 最大测量距离大约为 1200 米 3-4。 1.3 本 论 文的 主要任务 由 国内外的研究及发展现状可知，国内外的专家们已经在多个频段上有针对性的研究过调频连续波雷达， 虽然他们的研究的频段不同，但是雷达前端的基本组成结构却大同小异。本文所研究的频段是 X 波段，并做了 以 下 的研究内容 ： 第 1 章 介绍了 X 波段调频连续波雷达的研究背景以 研究

33、 意义。 第 2 章 介绍了线性调频连续波雷达的基本组成结构和概念，在此基础上分析了对称三角形线性调频连续波雷达的基本工作 原理，并且通过和脉冲雷达相比较， 分析了 其优越性。 并提出了收发前端的设计方案和指标分配。 第 3 章 X 波段压控振荡器的设计。在对压控振荡器的原理进行分析后，使用 ADS 软件进行了仿真和设计 ，并对仿真结果进行了分析 。 第 4 章 介绍了基于 PLL+DDS+四倍频 方案的 X 波段频率源的设计，给出了其设计的原理框杭州电子科技大学硕士论文 3 图及实验结果。 第 5 章 介绍了 X 波段收发前端的部件的设计，对定向耦合器，滤波器进行了原理分析和仿真设计。 第

34、6 章 使用软件 ADS2009 对 X 波段调频连续波雷达收发前端的设计方案 进行链路仿真 以 确保 各组件的指标分配 正确 。 第 7 章 对本次的设计进行总结。 杭州电子科技大学硕士论文 4 第 2 章 测距雷达 的基本理论分析和 收发前端的 方案设计 2.1 测距雷达 的基本工作原理 脉冲雷达和调频连续波雷达都可以进行测距， 调频连续波 雷达的基本工作方式主要有两种，分别是线性调制和正弦波调制。其中 线性调制方式又包括锯齿波和三角波两种。 其中常用到的是三角波调制。 本章 分别介绍了 脉冲雷达的基本工作原理 和 线性调频连续波雷达的基本工作原理， 并 分析了线性调频连续波雷达的优越性。

35、 2.1.1 脉冲法测距的基本工作原理 脉冲雷达通过测量 脉冲信号来回传输的时间 来确定 目标的距离。图 2-1 显示了一个典型的脉冲雷达系统框图。发射机将频率为 0f 的微波振荡器频率与中频信号 IFf 混频，然后经过功率放大器将这信号脉冲经天线发射出去。发射脉冲的宽度为 ，脉冲重复频率为 1/rrfT 。典型的脉冲持续时间在 100ms 到 500ms 之间；较短的脉冲给出较好的距离分辨率，而较长的脉冲能得到较好的信噪比。较高的脉冲重复频率 在 单位时 间内 能给出 更多的返回脉冲数，而较低的脉冲重复频率可以避免当 /2rR cT 时出现距离模糊。 返回信号经接收机放大与频率为 0f 的本

36、振信号混频产生所需的 中频 信号 IF 。本振信号在发射机中用作上变频，而在接收机中用作下变频；这样的做的好处是解决了频率漂移的问题。IF 信号经放大、检测后送到放大器和显示器。 在脉冲雷达中，发射接收开关形成发射 脉冲串，并在发射机和接收机之间转接天线，也就是双工功能。用环形器可以实现双工的功能，但是必须在发射机和接收机之间提供高的隔离度以避免发射机信号泄露到接受机中，因为这样可能淹没返回的 有用 信号。 天线收 发 开 关功 放低 噪 放混 频 器I F 放 大 器混 频器检 测器显 示 器IFft脉 冲 发 生 器0IFff0f图 2-1 脉冲雷达系统 当 目标 处于 不模糊距离之内时，

37、可以通过观察 收发 脉冲信号之间的时间延迟 dt 就 能算出目标 距离雷达的 距离。 发射信号波形设计的主要参数 为： 发射信号的脉冲宽度 ，脉冲 的 重复周期 T，以及脉冲 的 平均功率 TavgP ， 其中 最小可 探测到的 由 距离 脉冲宽度 决定 ，最大 的 单杭州电子科技大学硕士论文 5 值测量距离 由 脉冲周期 T 决定 ，脉冲平均功率 TavgP 则 决定 雷达 的最大可 探测 的 距离 。 发射和接 收 的脉冲时序如图 2-2 所示： Tdtt发 射脉 冲接 收脉 冲图 2-2 发射和接受脉冲串 当测量的距离为 R时，由图 2-2可知： 2/dt R c (2-1) 12dRt

38、 (2-2) 2.1.2 三角形 线性 调频连续波 雷达 测距 的 基本原理 三角形 线性 调频连续波雷达的原理框图如图 2-3 所示。 信号源 产生在时间上按 照 三角形规律变化的调频连续波信号，经过定向耦合器之后，一部分 信号 经过天线发射 出去 ，另一部分 信号则 作为接收机 中 混频器的本振信号。发射信号碰到目标后 反射产生回波信号，回波信号 与 定向耦合器 耦合过来的信号在接收机的混频器内混频。 此时， 发射 信号 的频率 与 回波信号的频率 相比已 发生 时延 ，因此混频器 的 输出端 会输出两信号的 差频 信号， 该 差频信号经过后续的处理后加到频率计上。由于目标的距离和差频信号

39、有关，因此 通过测量频差就能确定目标的距离。 调 频 信 号 源天 线定 向 耦 合 器混 频 器中 频 处 理频 率 计图 2-3 三角形调频连续波雷达原理框图 杭州电子科技大学硕士论文 6 三角形调频连续波的工作原理如图 2-4 所示： MT MT0f()ftdt BTf Rf()ift00/2MT MT MT3 / 2MTtt( 0)if ( 0)if ( 0)if ( 0)if图 2-4 收发信号的频率及差频时 序图 假设排除 多普勒效应和调制时寄生调幅 对测量 产生的误差 影响 ， 分别 设发射信号的 起始频率 为 0f ， 调制带宽为 B， 调制周期 为 MT ， 发射 信号的 频

40、率 为 ()Tft，接收频率 为 ()Rft， ()Tft和 ()Rft经混频器 混频后得到的差频 信号 的频率 为 if ， 发射信号与接收信号 在一个周期内 的时延 2/dt R C ， 扫频斜率 为 2/Mu B T 。 发射信号的频率 ()Tft可以写成如下表达式： 000 / 2() 2 / 2 MMMf u t t Tft f B u t T t T （ 2-3） 瞬时相位 ()Tt 为发射频率 Tf 在 时间上 的 积 分 ： 201202( ) 2 ( )12 0 / 2212 2 / 22TTMMMt f df u t t Tf B t u t T t T （ 2-4） 1

41、和 2 表示 发射信号的的相位常数，因此发射信号可以表示为 ： ( ) c o s ( )tTV t A t （ 2-5） 回波信号的频率 ()Rft可以写成如下表达式： 00( ) / 2( ) ( ) 2 ( ) / 2d d d MR T d d d M M df u t t t t t Tf t f t t f B u t t t T t T t （ 2-6） 于是 回 波信号的瞬时相位 的表达式 为： 杭州电子科技大学硕士论文 7 0102( ) 2 ( )12 ( 2 ) / 2212 2 ( 2 ) / 22RRd d M dd d M d Mt f df t u t t t t

42、 t T tf B t u t t t t T t t T （ 2-7） 其中 和 是回波信号前半周期和后半周期的相位常数。因此回波信号可以表示为： ( ) cos ( )RRV t B t （ 2-8） 由于 2/dt R C ,所以差频信号为： 0( ) ( )04 / 2 / 22 2 / 2 / 2i T Rdd M d M MMd M M df t f t f tf u t t tBR t t T t T t TTCB u t u t T t T t 和 （ 2-9） 当测量距离 为 R 的目标 时 ， 在一个周期内， 回波信号除了在 t 轴上 有 很小一部分 在 2/RC之 外，

43、当 0 dtt 和 / 2 / 2M M dT t T t 时，差频信号的频率是随时间 而 线性变化的， 因此不能从这两段 时段 内获得 所需的 距离的信息 ， 所以要 可能的减小这 两段时间 所占的比例 。 当/2dMt t T 和 /2d M Mt T t T 时，差频信号 的频率 不随时间线性变化， 而是 随距离 而 线性变化， 将 调制 周期 变长可增大这段时间所占的比列 ， 目标 的 距离信息 可根据 差频 信号的 大小算出 。 测量距离 R 为 04M iTCRfB（ 2-10） 式 (2-10)表明：调频连续波测距系统 的参数 主要由调制周期 ，调制带宽 B 以及与距离成正比例关

44、系的 收发 信号的差频 信号 ()ift的大小来反映 5-6。 由 式 (2-10)可以得出以下结论， 如果在 输出中 频 0if 一定的情况下，可以通过调整调制周期 MT 和带宽 B 来 改变测量距离 R，从而 满足设计的要求 。如果在调制周期 MT 一定的情况下，可以通过改变输出中频 0if 来改变测量距离 R。 式 (2-10)还表明， 可以通过增大调制带宽 B 来使测距误差减小。 2.2 线性调频连续波雷达 (LFMCW)的优缺点 2.2.1 线性调频连续波雷达 (LFMCW)的 优点 (1)发射 功率较低，接收灵敏度较高。 线性调频连续波雷达使用的 是大时 宽 带 宽 信号， 在 距

45、离分辨力 相同 的条件下， LFMCW信号的发射功率 与 脉冲雷达 相比要 低得多，接收灵敏度 却 要 高得多。 在 实际的 工程 应用 中，在给定作用距离的条件下， LFMCW 雷达 更 容易获得 发射信号和接收 信号 所需的 能量 及 实现杭州电子科技大学硕士论文 8 低 的 截获概率，所以 与脉冲雷达相比 LFMCW 雷达具有更好 的 抗干扰能力 和抗杂波能力 。 (2)距离分辨力 高 线性调频连续波 雷达 容易 产生和处理 很 大 的 带宽信号， 带宽变大距离分辨率提高， 因而可以 通过加大带宽来 获得 很 高的距离分辨力， 在需要 距 离分辨力 较高 的场合 得到了广泛的应用 。 (

46、3)无测距 盲区 LFMCW 雷达的发射信号 的 时宽 比 回波信号 时延 大的多 ，发射机 和 接收机 又是 同时工作的， 这样使得 LFMCW 雷达 无测距盲区 。 (4)结构简单 由于雷达 工作 于低 电压 状态 ， 所以 避免了 高压 和 高功率 器 件的使用 。 信号处理 也 变得 相对简单， 这样 能 使射频部分 的 结构 更加 简化，从而使整个雷达系统 变的较为 简单 7。 2.2.2 线性 调频连续波 雷达 (LFMCW)的缺点 (1)距离速度耦合 。 由 雷达模糊函数理论 可知 ，由于调频连续波 雷达采用的是 大时宽 带宽 带积信号， 所以 速度 和距离必然存在 耦合 问题，

47、 这样便使得 实际 的距离 分辨力 降低 ， 导致 测距误差 的存在 。 (2)测量 距离 较 近， 调频连续波雷达的 发射机和接收机是同时工作的，当 收发信号 使用 同 一副天线时，发射机功率 的泄露 将会 阻塞 接收机 。所以 发射功率 不能太大 ， 这样便 使得 测量 距离较 近。 (3)同时测量多个目标 困难 ， 如果想 同时对多个目标进行测量 ， 就要使用 大量 的 滤波器，使得装置 过于 复杂， 不方便使用 。 2.3 整体方案的设计 2.3.1 X 波段 调频连续波雷达 收发前端的主要指标 (1)工作频率 发射机和接收机的工作频率包括中心频率和带宽，工作频率的选择 要根据实际的

48、用途及其 工作环境 来确定 。 (2)输出功率 输出功率是指发射机 末级 功放送到天线的功率，主要由 输入功放的功率和 功率放大器本身决定，功率的大小决定了测量距离的远近。 (3)信号的稳定性和频谱纯度 频率的稳定度是指实际工作频率与标准工作频率 0f 的最大偏差 f 与标准频率的比值，定义式如下： 0/K f f （ 2-11） 频率的稳定度主要 取决于频率源的稳定性。 杭州电子科技大学硕士论文 9 (4)谐波抑制度 谐波抑制主要是因为对线性度的要求使得对基波的二次谐波，三次谐波以及组合波的抑制要达到一定的要求 10。 (5)噪声系数 噪声系数表示信号通过系统后，信噪比的恶化程度，噪声系数的定义为输入信噪比与输出信噪比的比值： iiooSNNF SN（ 2-12） 对于一个多级级联的系统的噪声系数，它的计算公式为： 32411 1 2 1 2 3 1 2 11111 .NNN F N FN F N FN F N F