CN107561538A - 一种用于无人机的38GHz毫米波避障雷达的前端收发电路 - Google Patents

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王顺兰
陈军
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Abstract

本发明提出一种用于无人机的38GHz毫米波避障雷达的前端收发电路，包括：基于FPGA的三角波发生器的输出作为压控振荡器的输入，压控振荡器用于产生中心频率为19GHz带宽为±250MHz的微波信号，该微波信号经功率分配器功分后输入第一倍频器和第二倍频器，第一倍频器将微波信号二次倍频再过滤和放大后得到发射信号；第二倍频器将微波信号二次倍频并输出作为混频电路的一个输入，接收天线接收回波信号，回波信号经低噪放大后作为混频电路的另一个输入；混频电路用于对接收到的回波信号进行去线性调频，输出被解调的回波信号。本发明采用宽带线性调频，适于无人飞行器、直升机、汽车倒车雷达进行障碍物避让探测，可提高探测目标的距离分辨率。

Description

一种用于无人机的38GHz毫米波避障雷达的前端收发电路
技术领域
本发明属于毫米波雷达探测技术领域，特别是一种用于无人机的38GHz毫米波避障雷达的前端收发电路。
背景技术
利用无人飞行器在电力系统防灾减灾和线路巡视中的已经开始广泛地应用，实现电网灾情监控、快速巡视、隐患发现等功能，实现管理的一体化，将故障杜绝在隐患阶段，可极大地提升电力系统输配电运行、管理和维护水平。但目前无人飞行器经常发生被电力输电线、树林等撞击而致严重事故，在暴风雨天气恶劣等情况下，引发事故的概率更大。
目前，毫米波避障雷达现在还很少见到在无人飞行器上应用。常用的毫米波雷达的发射信号源一般采用脉冲体质，总是存在一个最小探测距离过大的问题。因此，如何提高探测目标的距离分辨率是急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷或不足，本发明旨在提供一种用于无人机的38GHz毫米波避障雷达的前端收发电路，适于无人飞行器、直升机尤其是在低空飞行时以及汽车倒车雷达进行障碍物避让探测，提高探测目标的距离分辨率。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种用于无人机的38GHz毫米波避障雷达的前端收发电路，包括基于FPGA的三角波发生器、压控振荡器(VCO)、功率分配器、第一倍频器、第二倍频器、滤波器、第一功率放大器、混频电路、低噪放大器、发射天线以及接收天线，其中：
所述基于FPGA的三角波发生器的输出作为所述压控振荡器(VCO)的输入，该基于FPGA的三角波发生器用于产生一三角形波形，其电压值至1～8V，所述压控振荡器(VCO)用于产生中心频率为19GHz且带宽为±250MHz的微波信号，该输出的微波信号经所述功率分配器等能量功分后分别输入所述第一倍频器和第二倍频器，所述第一倍频器用于将所述19GHz且带宽为±250MHz的微波信号倍频至频率为38GHz且带宽为±250MHz的毫米波信号，该第一倍频器的输出经过所述滤波器、第一功率放大器进行过滤和放大后得到发射信号，并输入至所述发射天线，由该发射天线发射；
所述第二倍频器用于将所述19GHz且带宽为±250MHz的微波信号倍频至频率为38GHz且带宽为±250MHz的毫米波信号，其中该第二倍频器产生的频率为38GHz且带宽为±250MHz的毫米波信号具有与所述发射信号相同的调频斜率K，该毫米波信号只在雷达接收窗口期间存在，所述第二倍频器的输出作为所述混频电路的一个输入，所述接收天线用于接收回波信号，该回波信号经所述低噪放大器进行低噪放大后作为所述混频电路的另一个输入；
所述混频电路用于对接收到的回波信号进行去线性调频，输出被解调的回波信号。
进一步，所述低噪放大器的噪声系数FN在2.5-4.5之间。
进一步，所述功率分配器为一T型结构功分器。
由以上本发明的技术方案可知，本发明的用于无人机的38GHz毫米波避障雷达的前端收发电路采用宽带线性调频技术，适于无人飞行器、直升机尤其是在低空飞行时以及汽车倒车雷达进行障碍物避让探测，具有目标距离分辨率强、探测精度高等优点，提高探测目标的距离分辨率。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为用于无人机的38GHz毫米波避障雷达的前端收发电路的电路连接示意图。
图2为基片集成波导谐振腔结构俯视图。
图3a、3b为单根和双根键合金丝仿真模型的示意图。
具体实施方式
如图1所示，根据本发明的较佳实施例，一种用于无人机的38GHz毫米波避障雷达的前端收发电路，包括基于FPGA的三角波发生器、压控振荡器(VCO)、功率分配器、第一倍频器、第二倍频器、滤波器、第一功率放大器、混频电路、低噪放大器、发射天线以及接收天线。
参考图2所示，所述基于FPGA的三角波发生器的输出作为所述压控振荡器(VCO)的输入，该基于FPGA的三角波发生器用于产生一三角形波形，其电压值至1～8V，程控19GHz的压控振荡器(VCO)。较佳地，所述压控振荡器为Ku波段的宽带压控振荡器。
所述压控振荡器(VCO)用于产生中心频率为19GHz且带宽为±250MHz的微波信号，该输出的微波信号经所述功率分配器进行等能量功分后，分别输入所述第一倍频器和第二倍频器，所述第一倍频器用于将所述19GHz且带宽为±250MHz的微波信号倍频至频率为38GHz且带宽为±250MHz的毫米波信号，该第一倍频器的输出经过所述滤波器、第一功率放大器进行过滤和放大后得到发射信号，并输入至所述发射天线，由该发射天线发射。
较佳地，本实施例中，所述功率分配器为一T型结构功分器。可采用介电常数6.0，厚度在0.096mm的两层Ferro A6作为介质基板，借助ADS中的LineCalc工具获取所需的各微带线的宽度和长度，然后在HFSS中建立功分器的三维模型，将HFSS中结构模型各项参数根据需要设置完成后对功分器的结构尺寸，进行优化仿真可得到功分器的参数。
所述第二倍频器用于将所述19GHz且带宽为±250MHz的微波信号倍频至频率为38GHz且带宽为±250MHz的毫米波信号，其中该第二倍频器产生的频率为38GHz且带宽为±250MHz的毫米波信号具有与所述发射信号相同的调频斜率K，该毫米波信号只在雷达接收窗口期间存在，所述第二倍频器的输出作为所述混频电路的一个输入，所述接收天线用于接收回波信号，该回波信号经所述低噪放大器进行低噪放大后作为所述混频电路的另一个输入；
所述混频电路用于对接收到的回波信号进行去线性调频，输出被解调的回波信号，即中频解调信号。
优选地，本实施例中，所述低噪放大器的噪声系数FN在2.5-4.5之间。
值得一提的，本实施例中采用的去线性调频原理为常用的解调，下面简要介绍下去线性调频的原理：
设线性调频发射信号为：
St(t)＝A0 exp{j2π[f0t+μt2/2]},0≤t≤T
式中，A0为混频信号幅度，f0为载波频率，B为信号带宽，T为信号周期，μ＝B/T为信号调制斜率。
目标回波信号Sr(t)为：
Sr(t)＝Ar exp{j2π[f0(t-τ)+μ(t-τ)2/2]}
式中，Ar为回波信号幅度；τ＝2R/c是距离R处的点目标回波延时，c为光速。
则回波信号经过混频和低通滤波并进行归一化后的中频信号可表示为：
Sb(t)＝exp[j(2πf0tτ+2πμtτ-πμτ2)]
经过公式推导化简处理，并经低通滤波并数字化的回波信号做FFT变化处理可得到目标的一维距离像的表达式为：
上述前端收发电路可以多种封装方式封装后，然后作为无人飞机、直升机等前端发射与接收部分。例如，基于LTCC技术进行封装。
1)基片集成波导谐振腔结构
采用LTCC基片集成波导谐振腔结构工艺设置有源单片电路。
参考图2所示，矩形波导的结构一般需要设置：矩形波导的宽度为a，矩形波导的长度为b，两层金属板的距离为h，连接上下两层金属板通孔的半径为d，相邻两个通孔的距离为s，电磁波在LTCC介质中的波长为λ，要求满足：s＜λ,s＜4d。
2)多个谐振腔腔体的互联
对多个有源芯片或电路的腔体设计，根据LTCC加工工艺和设计指标要求，采用多个接地通孔形成等效腔体，使腔体提供芯片与其他电路之间隔离，同时也提供可靠性和环境电池保护。为了防止毫米波雷达信号发射机产生串扰和振荡，在设计时可选择合适的腔体尺寸，使得放大器的工作频率远离腔体的谐振频率。
3)金丝键合
多个模块/电路/芯片之间采用单根或双根键合金丝来实现链接，当采用标准的LTCC生瓷带Ferro A6介电常数为6.0，传输线是标准的50欧姆微带线时，金丝直径为1mil。为了满足使用芯片和加工工艺要求，金丝跨距设为0.4mm。如图3a、3b所示，为采用单根和双根键合金丝仿真模型。

Claims (4)

1.一种用于无人机的38GHz毫米波避障雷达的前端收发电路，其特征在于，包括：基于FPGA的三角波发生器、压控振荡器、功率分配器、第一倍频器、第二倍频器、滤波器、第一功率放大器、混频电路、低噪放大器、发射天线以及接收天线，其中：
所述基于FPGA的三角波发生器的输出作为所述压控振荡器的输入，该基于FPGA的三角波发生器用于产生一三角形波形，其电压值至1～8V，所述压控振荡器用于产生中心频率为19GHz且带宽为±250MHz的微波信号，该输出的微波信号经所述功率分配器等能量功分后分别输入所述第一倍频器和第二倍频器，所述第一倍频器用于将所述19GHz且带宽为±250MHz的微波信号倍频至频率为38GHz且带宽为±250MHz的毫米波信号，该第一倍频器的输出经过所述滤波器、第一功率放大器进行过滤和放大后得到发射信号，并输入至所述发射天线，由该发射天线发射；
所述第二倍频器用于将所述19GHz且带宽为±250MHz的微波信号倍频至频率为38GHz且带宽为±250MHz的毫米波信号，其中该第二倍频器产生的频率为38GHz且带宽为±250MHz的毫米波信号具有与所述发射信号相同的调频斜率K，该毫米波信号只在雷达接收窗口期间存在，所述第二倍频器的输出作为所述混频电路的一个输入，所述接收天线用于接收回波信号，该回波信号经所述低噪放大器进行低噪放大后作为所述混频电路的另一个输入；
所述混频电路用于对接收到的回波信号进行去线性调频，输出被解调的回波信号。
2.根据权利要求1所述的用于无人机的38GHz毫米波避障雷达的前端收发电路，其特征在于，所述低噪放大器的噪声系数FN在2.5-4.5之间。
3.根据权利要求1所述的用于无人机的38GHz毫米波避障雷达的前端收发电路，其特征在于，所述功率分配器为一T型结构功分器。
4.根据权利要求1所述的用于无人机的38GHz毫米波避障雷达的前端收发电路，其特征在于，所述压控振荡器为Ku波段的宽带压控振荡器。
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