CN107085201B - 收发一体多普勒雷达前端模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种收发一体多普勒雷达前端模块，包括收发共用天线（100）、收发一体射频电路（200）和滤波器（300）。其中，收发共用天线（100）的作用是将发射信号辐射到自由空间，并且，接收自由空间中的目标回波信号；收发一体射频电路（200）的作用是产生发射用的射频信号，并且，能够接收到的目标回波信号与原始发射信号混频；滤波器（300）的作用是滤除混频后的高次谐波分量，提取基次谐波分量，做进一步的信号处理。本发明的特点是有利于雷达系统小型化设计、实现方法简单，并且，有效降低了雷达系统的成本，适用于障碍物检测、测速、测角等雷达应用场合。

Description

收发一体多普勒雷达前端模块

技术领域

本发明涉及一种多普勒雷达装置，特别是涉及一种多普勒雷达前端模块装置，应用于雷达技术领域。

背景技术

雷达传感器作为一种微波探测设备，通过发射和接收电磁波，探测物体的物理特征。典型的雷达传感器中发射机和接收机的电路是分离的，并且收发天线各自独立，所以该类雷达传感器的体积相对偏大，成本相对偏高。虽然，环形器或双工器的应用，使得整个雷达系统可以复用一个天线，但是，后端的电路还是分为典型的发射机和接收机，电路面积较大。传统的天线设计和电路实现方式难以适合小型化、便携性、隐蔽性要求的应用场景。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种收发一体多普勒雷达前端模块，采用收发一体的架构形式，使用单个收发共用天线减小了雷达系统的尺寸，有利于雷达系统小型化设计、实现方法简单，并且有效降低了雷达系统的成本，适用于障碍物检测、测速、测角等雷达应用场合。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种收发一体多普勒雷达前端模块，包括收发共用天线、收发一体射频电路系统和滤波器，上述三部分使雷达传感器的发射机前端链路和接收机前端链路融合为一体，形成收发一体的雷达前端模块，所述收发共用天线能将发射信号辐射到自由空间，并且能接收在自由空间中的目标回波信号，将接收到的目标回波信号输入至收发一体射频电路系统；所述收发一体射频电路系统能产生发射用的特定频率的射频信号，作为原始发射信号，并将射频信号向所述收发共用天线传输，然后通过所述收发共用天线辐射向自由空间，而且所述收发一体射频电路系统还能够接收到来自所述收发共用天线输出的目标回波信号，并将接收到的目标回波信号与原始发射信号进行混频，所述滤波器采用呈现低通特性的滤波电路，所述滤波器能滤除混频后的高次谐波分量，提取基次谐波分量，获得目标回波的特征信号，经过所述滤波器滤波后的信号能进行输出，做后续的进一步的信号处理。

上述滤波器优选由集总参数元件和分布参数元件构成。

上述收发一体射频电路系统优选由集总参数元件、分布参数元件和三端口器件构成。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，所述三端口器件采用晶体管或场效应管，并且所述三端口器件设置在所述收发一体射频电路系统中，所述三端口器件的各端口分别对应连接由所述集总参数元件和所述分布参数元件构成的电路，能产生特定频率的连续波信号，同时所述三端口器件也能将由收发一体天线传来的目标回波信号与原始发射信号进行混频，并将混频信号通过一个端口输出，向所述滤波器传输。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，所述收发一体射频电路能通过所述三端口器件进行单端口负阻振荡，并能将所产生的振荡信号作为本地振荡信号和所述三端口器件接收到的目标回波信号进行混频，然后通过所述三端口器件的一个端口，将混频信号向所述滤波器传输。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，所述的三端口器件采用场效应管，将场效应管的源极连接反馈网络模块，调节所述反馈网络模块，使场效应管不稳定来产生单频点本地振荡信号，所述场效应管的栅极连接匹配网络模块，所述匹配网络模块在调谐振荡频率点与所述收发共用天线进行匹配，用于所述匹配网络模块和所述收发共用天线进行雷达信号交换，传输RX信号和TX信号，所述场效应管的漏极输出本地振荡信号和接收信号完成混频后的信号，将混频信号通过漏极向所述滤波器传输，通过所述滤波器滤除高频分量，来提取目标回波的特征信号。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，所述的三端口器件采用晶体管，将晶体管的发射极连接反馈网络模块，调节所述反馈网络模块，使晶体管不稳定来产生本地振荡信号，所述晶体管的基极连接匹配网络模块，所述匹配网络模块在调谐振荡频率点与所述收发共用天线进行匹配，用于所述匹配网络模块和所述收发共用天线进行雷达信号交换，传输RX信号和TX信号，所述晶体管的集电极输出本地振荡信号和接收信号完成混频后的信号，将混频信号通过漏极向所述滤波器传输，通过所述滤波器滤除高频分量，来提取目标回波的特征信号。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，所述反馈网络模块由以金属化过孔接地的第一微带线和第二微带线构成，引入串联反馈量，使所述收发一体射频电路系统的电路满足不稳定条件；所述匹配网络由第三微带线构成，并且以第一隔直电容滤除直流分量；设置第一微带扇形偏置网络和第二微带扇形偏置网络对所述收发一体射频电路系统电路中的射频信号成开路状态，并导通直流电压，以此构成了三端口器件的直流偏置网络，使三端口器件的端口处于设定的电压工作点。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，所述滤波器由第一微带扇形线、第二微带扇形线、第三微带扇形线和高阻抗线构成，所述滤波器输入端与所述三端口器件的一个端口信号连接，所述第一微带扇形线在所述滤波器输入端构成射频信号的短路点，阻隔射频信号流入后端电路，并且由第一微带扇形线、第二微带扇形线和高阻抗线构成的网络进一步阻隔射频信号流入后端电路，使所述滤波器实现了低通滤波，能够导通目标回波信号中的基带特征信号，抑制混频后的高频分量；滤波后的信号经第二隔直电容滤除直流分量后输出，做后续的进一步的信号处理。

上述收发共用天线优选采用缝隙天线。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，所述收发共用天线采用在基片集成波导上开缝隙的形式形成缝隙天线，其中，上导体和下导体通过按设定间距排列的金属化过孔连接，并且由一系列金属化过孔作为边界，在上导体上分别构成彼此连通的第一腔体、第二腔体和第三腔体，所述第二腔体和第三腔体采用并列紧邻区域方式进行设置，所述第一腔体形成过道区域，使所述第二腔体和第三腔体位于所述第一腔体的同一侧，在所述第一腔体的另一侧连接馈线，所述第二腔体和第三腔体区域分别开口与第一腔体连通，在下导体上分别设置第一缝隙和第二缝隙，两个所述缝隙的设置位置分别对应第二腔体和第三腔体的区域位置，两个所述缝隙能对外部自由空间辐射电磁波和接收电磁波，所述馈线与收发一体射频电路系统信号连接，进行RX信号和TX信号的传输。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明使用单个收发共用天线减小了雷达系统的尺寸；

2.本发明采用单个晶体管或者场效应管实现收发一体电路，进一步减小雷达系统的尺寸；

3.本发明采用收发一体的设计形式，有效降低了雷达系统的整机成本。

附图说明

图1为本发明实施例一收发一体多普勒雷达前端模块系统结构示意图。

图2为本发明实施例一收发一体射频电路和滤波器基于场效应管的信号系统原理图。

图3为本发明实施例二收发一体射频电路和滤波器基于晶体管的信号系统原理图。

图4为本发明实施例一的收发共用天线的结构示意图。

图5为本发明实施例一收发共用的S11参数测试结果曲线图。

图6为本发明实施例一收发一体射频电路和滤波器的信号系统结构示意图。

图7为本发明实施例一发射信号频谱图。

图8为本发明实施例一输出信号频谱图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1，一种收发一体多普勒雷达前端模块，包括收发共用天线100、收发一体射频电路系统200和滤波器300，上述三部分使雷达传感器的发射机前端链路和接收机前端链路融合为一体，形成收发一体的雷达前端模块，收发共用天线100能将发射信号辐射到自由空间，并且能接收在自由空间中的目标回波信号，将接收到的目标回波信号输入至收发一体射频电路系统200；收发一体射频电路系统200能产生发射用的特定频率的射频信号，作为原始发射信号，并将射频信号向收发共用天线100传输，然后通过收发共用天线100辐射向自由空间，而且收发一体射频电路系统200还能够接收到来自收发共用天线100输出的目标回波信号，并将接收到的目标回波信号与原始发射信号进行混频，滤波器300采用呈现低通特性的滤波电路，滤波器300能滤除混频后的高次谐波分量，提取基次谐波分量，获得目标回波的特征信号，经过滤波器300滤波后的信号能进行输出，做后续的进一步的信号处理，参见图1。

在本实施例中，参见图1、图2和图6，滤波器300由集总参数元件和分布参数元件构成。

在本实施例中，参见图1、图2和图6，收发一体射频电路系统200由集总参数元件、分布参数元件和三端口器件220构成。

在本实施例中，参见图1、图2、图4和图6，的三端口器件220采用晶体管或场效应管，并且三端口器件220设置在收发一体射频电路系统200中，三端口器件220的各端口分别对应连接由集总参数元件和分布参数元件构成的电路，能产生特定频率的连续波信号，同时三端口器件220也能将由收发一体天线100传来的目标回波信号与原始发射信号进行混频，并将混频信号通过一个端口输出，向滤波器300传输。

在本实施例中，参见图1、图2和图6，收发一体射频电路200能通过三端口器件220进行单端口负阻振荡，并能将所产生的振荡信号作为本地振荡信号和所述三端口器件(220)接收到的目标回波信号进行混频，然后通过三端口器件220的一个端口，将混频信号向滤波器300传输。

在本实施例中，参见图1、图2、图4和图6，的三端口器件220采用场效应管，将场效应管的源极连接反馈网络模块230，调节反馈网络模块230，使场效应管不稳定来产生单频点本地振荡信号，场效应管的栅极连接匹配网络模块210，匹配网络模块210在调谐振荡频率点与收发共用天线100进行匹配，用于匹配网络模块210和收发共用天线100进行雷达信号交换，传输RX信号和TX信号，场效应管的漏极输出本地振荡信号和接收信号完成混频后的信号，将混频信号通过漏极向滤波器300传输，通过滤波器300滤除高频分量，来提取目标回波的特征信号。在本实施例中，收发一体射频电路系统200和滤波器300采用图2所示的基于场效应管的形式，其核心器件为场效应管，采用瑞萨公司NEC所生产的NE3514S02，在本实施例中所加载的直流偏置条件为漏极施加2伏特正电压，栅极施加0.6伏特负电压。场效应管的源极连接反馈网络模块230，调节反馈网络模块230，使场效应管不稳定来产生单频点本地振荡信号。场效应管的栅极连接匹配网络模块210，调谐振荡频率点为15.849GHz，并且匹配网络模块210在调谐振荡频率点与收发共用天线100匹配，用于传输RX信号和TX信号。场效应管的漏极输出本地振荡信号和接收信号混频后的信号，通过设计滤波器300滤除高频分量，提取目标回波的特征信号。本实施例采用单个场效应管实现收发一体电路，进一步减小雷达系统的尺寸。

在本实施例中，参见图1、图2、图4和图6，图6是收发一体射频电路系统200和滤波器300的版图，其中，场效应管的源极由两个引脚引出。反馈网络模块230由以金属化过孔接地的第一微带线231和第二微带线232构成，引入串联反馈量，使收发一体射频电路系统200的电路满足不稳定条件；匹配网络210由第三微带线211构成，并且以第一隔直电容212滤除直流分量；设置第一微带扇形偏置网络241和第二微带扇形偏置网络242对收发一体射频电路系统200电路中的射频信号成开路状态，并导通直流电压，以此构成了三端口器件220的直流偏置网络，使三端口器件220的端口处于设定的电压工作点。在本实施例中，收发一体射频电路系统200工作时，在场效应管的漏极施加2伏特正电压，栅极施加0.6伏特负电压。

在本实施例中，参见图1、图2、图4和图6，滤波器300由第一微带扇形线301、第二微带扇形线303、第三微带扇形线304和高阻抗线302构成，滤波器300输入端与三端口器件220的一个端口信号连接，第一微带扇形线301在滤波器300输入端构成射频信号的短路点，阻隔射频信号流入后端电路，并且由第一微带扇形线303、第二微带扇形线304和高阻抗线302构成的网络进一步阻隔射频信号流入后端电路，使滤波器300实现了低通滤波，能够导通目标回波信号中的基带特征信号，抑制混频后的高频分量；在图6中，滤波后的信号经第二隔直电容305滤除直流分量后输出，做后续的进一步的信号处理。

在本实施例中，参见图1、图4和图6，收发共用天线100采用缝隙天线。

在本实施例中，参见图1、图4和图6，收发共用天线100采用在基片集成波导上开缝隙的形式形成缝隙天线，其中，上导体101和下导体102通过按设定间距排列的金属化过孔103连接，并且由一系列金属化过孔103作为边界，在上导体101上分别构成彼此连通的第一腔体Ⅰ、第二腔体Ⅱ和第三腔体Ⅲ，第二腔体Ⅱ和第三腔体Ⅲ采用并列紧邻区域方式进行设置，第一腔体Ⅰ形成过道区域，使第二腔体Ⅱ和第三腔体Ⅲ位于第一腔体Ⅰ的同一侧，在第一腔体Ⅰ的另一侧连接馈线106，第二腔体Ⅱ和第三腔体Ⅲ区域分别开口与第一腔体Ⅰ连通，在下导体102上分别设置第一缝隙104和第二缝隙105，两个缝隙的设置位置分别对应第二腔体Ⅱ和第三腔体Ⅲ的区域位置，两个缝隙能对外部自由空间辐射电磁波和接收电磁波，馈线106与收发一体射频电路系统200信号连接，进行RX信号和TX信号的传输。在本实施例中，图5是收发共用天线100的S11参数测试图，其中心频率点为15.80GHz，带宽约为120MHz(S11<-10dB)。

实验分析测试：

对实施例一收发一体多普勒雷达前端模块的实际测试结果如图7和图8所示，其中，图7是使用Agilent频谱仪E4407B测得的该收发一体多普勒雷达前端模块的发射信号频率，为15.849000GHz，图8是使用Agilent频谱仪E4407B测得的含频率偏移的目标回波经过收发一体多普勒雷达前端模块后的中频输出信号频谱，该信号的频率约为30.128975MHz。实施例一收发一体多普勒雷达前端模块的测试结果验证了收发一体多普勒雷达前端模块的发射和接收功能，即实施例一收发一体多普勒雷达前端模块能够发射15.849000GHz的信号，并且能够接收含有30.128975MHz的多普勒频率偏移信号。

总之，实施例一收发一体多普勒雷达前端模块有利于雷达系统小型化设计、实现方法简单，并且，有效降低了雷达系统的成本，适用于障碍物检测、测速、测角等雷达应用场合。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图3的三端口器件220采用晶体管，将晶体管的发射极连接反馈网络模块230，调节反馈网络模块230，使晶体管不稳定来产生本地振荡信号，晶体管的基极连接匹配网络模块210，匹配网络模块210在调谐振荡频率点与收发共用天线100进行匹配，用于匹配网络模块210和收发共用天线100进行雷达信号交换，传输RX信号和TX信号，晶体管的集电极输出本地振荡信号和接收信号完成混频后的信号，将混频信号通过漏极向滤波器300传输，通过滤波器300滤除高频分量，来提取目标回波的特征信号。本实施例采用单个晶体管实现收发一体电路，进一步减小雷达系统的尺寸，有利于雷达系统小型化设计、实现方法简单，并且有效降低了雷达系统的成本，适用于障碍物检测、测速、测角等雷达应用场合。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明收发一体多普勒雷达前端模块的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种收发一体多普勒雷达前端模块，其特征在于：包括收发共用天线（100）、收发一体射频电路系统（200）和滤波器（300），上述三部分使雷达传感器的发射机前端链路和接收机前端链路融合为一体，形成收发一体的雷达前端模块，所述收发共用天线（100）能将发射信号辐射到自由空间，并且能接收在自由空间中的目标回波信号，将接收到的目标回波信号输入至收发一体射频电路系统（200）；所述收发一体射频电路系统（200）能产生发射用的特定频率的射频信号，作为原始发射信号，并将射频信号向所述收发共用天线（100）传输，然后通过所述收发共用天线（100）辐射向自由空间，而且所述收发一体射频电路系统（200）还能够接收到来自所述收发共用天线（100）输出的目标回波信号，并将接收到的目标回波信号与原始发射信号进行混频，所述滤波器（300）采用呈现低通特性的滤波电路，所述滤波器（300）能滤除混频后的高次谐波分量，提取基次谐波分量，获得目标回波的特征信号，经过所述滤波器（300）滤波后的信号能进行输出，做后续的进一步的信号处理；

所述收发一体射频电路系统（200）由集总参数元件、分布参数元件和三端口器件（220）构成；所述三端口器件（220）采用晶体管或场效应管，并且所述三端口器件（220）设置在所述收发一体射频电路系统（200）中，所述三端口器件（220）的各端口分别对应连接由所述集总参数元件和所述分布参数元件构成的电路，能产生特定频率的连续波信号，同时所述三端口器件（220）也能将由收发一体天线（100）传来的目标回波信号与原始发射信号进行混频，并将混频信号通过一个端口输出，向所述滤波器（300）传输；

所述的三端口器件（220）采用晶体管，将晶体管的发射极连接反馈网络模块（230），调节所述反馈网络模块（230），使晶体管不稳定来产生本地振荡信号，所述晶体管的基极连接匹配网络模块（210），所述匹配网络模块（210）在调谐振荡频率点与所述收发共用天线（100）进行匹配，用于所述匹配网络模块（210）和所述收发共用天线（100）进行雷达信号交换，传输RX信号和TX信号，所述晶体管的集电极输出本地振荡信号和接收信号完成混频后的信号，将混频信号通过漏极向所述滤波器（300）传输，通过所述滤波器（300）滤除高频分量，来提取目标回波的特征信号。

2.根据权利要求1所述收发一体多普勒雷达前端模块，其特征在于：所述滤波器（300）由集总参数元件和分布参数元件构成。

3.根据权利要求1所述收发一体多普勒雷达前端模块，其特征在于：所述收发一体射频电路（200）能通过所述三端口器件（220）进行单端口负阻振荡，并能将所产生的振荡信号作为本地振荡信号和所述三端口器件（220）接收到的目标回波信号进行混频，然后通过所述三端口器件（220）的一个端口，将混频信号向所述滤波器（300）传输。

4.根据权利要求1所述收发一体多普勒雷达前端模块，其特征在于：所述的三端口器件（220）采用场效应管，将场效应管的源极连接反馈网络模块（230），调节所述反馈网络模块（230），使场效应管不稳定来产生单频点本地振荡信号，所述场效应管的栅极连接匹配网络模块（210），所述匹配网络模块（210）在调谐振荡频率点与所述收发共用天线（100）进行匹配，用于所述匹配网络模块（210）和所述收发共用天线（100）进行雷达信号交换，传输RX信号和TX信号，所述场效应管的漏极输出本地振荡信号和接收信号完成混频后的信号，将混频信号通过漏极向所述滤波器（300）传输，通过所述滤波器（300）滤除高频分量，来提取目标回波的特征信号。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述收发一体多普勒雷达前端模块，其特征在于：所述反馈网络模块（230）由以金属化过孔接地的第一微带线（231）和第二微带线（232）构成，引入串联反馈量，使所述收发一体射频电路系统（200）的电路满足不稳定条件；所述匹配网络（210）由第三微带线（211）构成，并且以第一隔直电容（212）滤除直流分量；设置第一微带扇形偏置网络（241）和第二微带扇形偏置网络（242）对所述收发一体射频电路系统（200）电路中的射频信号成开路状态，并导通直流电压，以此构成了三端口器件（220）的直流偏置网络，使三端口器件（220）的端口处于设定的电压工作点。

6.根据权利要求2～4中任意一项所述收发一体多普勒雷达前端模块，其特征在于：所述滤波器（300）由第一微带扇形线（301）、第二微带扇形线（303）、第三微带扇形线（304）和高阻抗线（302）构成，所述滤波器（300）输入端与所述三端口器件（220）的一个端口连接，所述第一微带扇形线（301）在所述滤波器（300）输入端构成射频信号的短路点，阻隔射频信号流入后端电路，并且由第一微带扇形线（303）、第二微带扇形线（304）和高阻抗线（302）构成的网络进一步阻隔射频信号流入后端电路，使所述滤波器（300）实现了低通滤波，能够导通目标回波信号中的基带特征信号，抑制混频后的高频分量；滤波后的信号经第二隔直电容（305）滤除直流分量后输出，做后续的进一步的信号处理。

7.根据权利要求1～4中任意一项所述收发一体多普勒雷达前端模块，其特征在于：所述收发共用天线（100）采用缝隙天线。

8.根据权利要求7所述收发一体多普勒雷达前端模块，其特征在于：所述收发共用天线（100）采用在基片集成波导上开缝隙的形式形成缝隙天线，其中，上导体（101）和下导体（102）通过按设定间距排列的金属化过孔（103）连接，并且由一系列金属化过孔（103）作为边界，在上导体（101）上分别构成彼此连通的第一腔体（Ⅰ）、第二腔体（Ⅱ）和第三腔体（Ⅲ），所述第二腔体（Ⅱ）和第三腔体（Ⅲ）采用并列紧邻区域方式进行设置，所述第一腔体（Ⅰ）形成过道区域，使所述第二腔体（Ⅱ）和第三腔体（Ⅲ）位于所述第一腔体（Ⅰ）的同一侧，在所述第一腔体（Ⅰ）的另一侧连接馈线（106），所述第二腔体（Ⅱ）和第三腔体（Ⅲ）区域分别开口与第一腔体（Ⅰ）连通，在下导体（102）上分别设置第一缝隙（104）和第二缝隙（105），两个所述缝隙的设置位置分别对应第二腔体（Ⅱ）和第三腔体（Ⅲ）的区域位置，两个所述缝隙能对外部自由空间辐射电磁波和接收电磁波，所述馈线（106）与收发一体射频电路系统（200）信号连接，进行RX信号和TX信号的传输。

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