CN111638506A - 一种小型化24GHz毫米波雷达传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化24GHz毫米波雷达传感器，包括发射天线阵列、接收天线阵列、发射机、接收机、滤波器、放大器、分频器和温度传感器，其中，所述发射天线阵列与发射机相连接，所述发射机与分频器和接收机分别连接，所述接收机与接收天线阵列和滤波器分别连接，所述滤波器还与放大器相连接，所述发射机、接收机、分频器和温度传感器组成单片微波集成电路；所述发射天线阵列和接收天线阵列分布于单片微波集成电路的两侧，整体传感器形状呈长方形。本发明实现直接连接常见的RISC单片机无需任何外部电路，最高可以达到毫米级别的距离分辨能力，具有体积小、低功耗、低成本的优势。

Description

一种小型化24GHz毫米波雷达传感器

技术领域

本发明属于微波雷达传感器领域，涉及一种小型化24GHz毫米波雷达传感器。

背景技术

雷达是一种利用无线电波来确定移动物体的范围、角度或速度的物体检测系统。雷达系统由发射机产生的电磁波经发射天线、接收天线(单独或同为前一个)在发射信号的路径中捕获任何被测目标的反射波，并由接收机和处理器完成对信号的接收、分析和处理。

FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)调频连续波。发射波为高频连续波，其频率随时间按照三角波规律变化。雷达接收的回波频率与发射的频率变化规律相同，都是三角波规律，只是有一个时间差。使用FPGA或DSP对中频信号进行FFT处理后，通过差频信号在功率谱上的频率可以精确的获得被测目标的距离，所有反射电磁波的物体都会在功率谱上有所体现。通过对每一个频率值的变化进行跟踪，可以判断物体的运动速度和运动状态。

FSK(Frequency-shift keying)频移键控。发射的信号在两个或多个频率下变化，接收和发射的频率仍然同步，这样在一个很短的时间内仍然可以看作一个定频雷达，雷达接收到的频率是由于被测物体与雷达模块之间存在相对运动而产生的多普勒频移，对中频信号进行FFT后由频率的大小可以精确的得出被测物体的运动速度。但是从一段较长的时间来看，发射的信号频率不断在变化，这可以抑制在工作频率上的突发干扰，或带宽不大的连续干扰信号。

近些年随着射频与微波技术的快速发展，雷达系统逐渐小型化，民用雷达也逐渐普及，其中24GHz频段常用于中距离和短距离应用。民用雷达的应用场景主要集中在恶劣的雨雾环境、注重隐私的场所、及黑暗环境或非接触式的测速测距，例如汽车、无人机、流速计等等，虽然国内外半导体厂商有了一些集成化的解决方案，但是毫米波雷达相关的产品仍然面临着门槛高、开发难度大等等问题，阻碍着雷达产品在生活中的普及。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种用于测量空间中移动物体的距离、速度信息的近程雷达传感器，进一步提高了毫米波雷达传感器的集成度，同时降低24GHz毫米波雷达传感器的使用门槛，用户也可以在所述传感器上可以进行多种调试方式，例如CW、FMCW、FSK等等，以通过不同的调制方式来确定在实际测量中对距离和速度的优先程度而不需要额外的增加硬件成本。

本发明所提出的24GHz毫米波雷达传感器使用24GHz附近的ISM频段，在全球范围内均可以使用，不存在无线电监管障碍，与同类的竞争产品相比，可以提供至少2倍的灵敏度提升和1.5倍的检测范围提升，同时具备更低的功耗和更小的传感器尺寸。

本发明的技术方案为：一种小型化24GHz毫米波雷达传感器，包括发射天线阵列、接收天线阵列、发射机、接收机、滤波器、放大器、分频器和温度传感器，其中，所述发射天线阵列与发射机相连接，所述发射机与分频器和接收机分别连接，所述接收机与接收天线阵列和滤波器分别连接，所述滤波器还与放大器相连接，所述发射机、接收机、分频器和温度传感器组成单片微波集成电路；所述发射天线阵列和接收天线阵列分布于单片微波集成电路的两侧，整体传感器形状呈长方形。

优选地，还包括金属框，设置在整体的外边缘，还包括两个倒角，设置在金属框的长边同侧两端。

优选地，还包括第一插针和第二插针，分别位于传感器长边的对侧中心位置。

优选地，所述放大器位于单片微波集成电路与第二插针之间，且在发射天线阵列和接收天线阵列之间。

优选地，所述发射天线阵列和接收天线阵列均采用四阵元结构。

优选地，所述发射天线阵列包括第一阵元、第二阵元、第三阵元和第四阵元，串联的第一阵元与第二阵元与串联的第三阵元和第四阵元并联，第一阵元与第二阵元之间的水平间距等于第三阵元和第四阵元之间的水平间距，第一阵元与第三阵元之间的垂直间距等于第二阵元与第四阵元之间的垂直间距。

优选地，所述发射天线阵列与所述单片微波集成电路之间设置发射端口，所述接收天线阵列与所述单片微波集成电路之间设置接收端口，发射端口和接收端口均为CPWG共面波导结构。

优选地，还包括主支路和第一支路，所述发射端口经主支路、第一支路与串联的第一阵元和第二阵元相连。

优选地，还包括主支路和第二支路，所述发射端口经主支路、第二支路与串联的第三阵元和第四阵元相连。

优选地，所述第一支路上设置第一阻抗匹配节。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：首先，本发明所提出的24GHz毫米波雷达传感器是一套完整的24GHz毫米波前端，集成了发射天线、接收天线、发射机、接收机、放大器、滤波器、分频器和温度传感器，在结构中，发射机、接收机、分频器和温度传感器集成在MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit，单片微波集成电路)中，放大器和滤波器位于MMIC的周围，整体架构适配目前主流的RISC单片机，用户在现有的产品中直接集成本发明所述的传感器不需要任何外部的辅助电路。

其次，本发明24GHz毫米波雷达传感器整体基于0.508mm厚的RO4350B碳氢化合物陶瓷设计，在保证了所需要机械强度的同时，有效地降低了成本，在传感器的边缘有屏蔽用金属边框，且金属边框上布有金属化过孔，有效的降低了侧向干扰，也有助于阵列天线方向图的形成；

再次，本发明优化了发射天线和接收天线阵列的间距，降低了自身的泄露干扰，在传感器的一侧长边有两个弧形倒角，在圆形外壳中可以尽可能的使传感器靠近边缘，节约了传感器在使用中的占用空间，两插针位于传感器两个长边的边缘，可以稳定的保持传感器的安装高度和平行度，在结构上更好的保证了量产的一致性。

最后，发射天线阵列和接收天线阵列为四阵元的混合馈电结构，其中四个辐射阵元等幅、同相、均匀馈电，每个阵元的馈电点具有一定的插入深度以匹配传输线阻抗，合理优化四个阵元的水平间距和垂直间距，使得旁瓣与主瓣合并，和现有技术相比消除了旁瓣的影响。

附图说明

图1为本发明具体实施例的小型化24GHz毫米波雷达传感器的结构框图；

图2为本发明具体实施例的小型化24GHz毫米波雷达传感器的电路布局图；

图3为本发明具体实施例的小型化24GHz毫米波雷达传感器的发射端电路布局图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

参见图1-3，本发明的小型化24GHz毫米波雷达传感器包括发射天线阵列1、接收天线阵列2、发射机3、接收机4、滤波器5、放大器6、分频器7和温度传感器8，其中，发射天线阵列1与发射机3相连接，发射机3与分频器7和接收机4分别连接，接收机4与接收天线阵列2和滤波器5分别连接，滤波器5还与放大器6相连接，发射机3、接收机4、分频器7和温度传感器8组成单片微波集成电路14；发射天线阵列1和接收天线阵列2分布于单片微波集成电路14的两侧，整体传感器形状呈长方形。

还包括金属框15，设置在整体的外边缘，且金属框15上布有金属化过孔，有效的降低了侧向干扰，也有助于阵列天线方向图的形成；金属框边缘还包括两个倒角1616，设置在金属框15的长边同侧两端。

还包括第一插针11和第二插针12，分别位于传感器长边的对侧中心位置，可以稳定的保持传感器的安装高度和平行度。

放大器6位于单片微波集成电路14与第二插针12之间，且在发射天线阵列1和接收天线阵列2之间。

发射天线阵列1和接收天线阵列2均采用四阵元结构，发射天线阵列1包括第一阵元26、第二阵元27、第三阵元28和第四阵元29，串联的第一阵元26与第二阵元27与串联的第三阵元28和第四阵元29并联，第一阵元26与第二阵元27之间的水平间距等于第三阵元28和第四阵元29之间的水平间距，第一阵元26与第三阵元28之间的垂直间距等于第二阵元27与第四阵元29之间的垂直间距。

发射天线阵列1与单片微波集成电路14之间设置发射端口18，接收天线阵列2与单片微波集成电路14之间设置接收端口，发射端口18和接收端口均为CPWG共面波导结构。

还包括主支路19和第一支路20，发射端口18经主支路19、第一支路20与串联的第一阵元26和第二阵元27相连；还包括主支路19和第二支路21，发射端口18经主支路19、第二支路21与串联的第三阵元28和第四阵元29相连。主支路19具有50ohm的特征阻抗，第一支路20和第二支路21具有100ohm的特征阻抗。

第一支路20上设置第一阻抗匹配节22，第二支路21上设置第二阻抗匹配节23，均为Taper匹配节，第一支路20上、第一阵元26和第二阵元27之间设置有第一蛇形移相器24；第二支路21上、第三阵元28和第四阵元29之间设置有第二蛇形移相器25；使得每条支路末端的两个阵元，即第二阵元27和第四阵元29的辐射相位与每条支路上首段的两个阵元，即第一阵元26和第三阵元28的辐射相位相同。

接收天线阵列一侧的接收端与上述发射端结构和原理相同，不再赘述。

通过上述设置，在第一阵元26与第二阵元27之间和第三阵元28与第四阵元29之间各有一个蛇形移相器用于调节第二阵元27、第四阵元29的辐射相位分别与第一阵元26、第三阵元28的辐射相位相同。水平方向上的两个阵元串联馈电，阻抗由第一阻抗匹配节22和第二阻抗匹配节23进行匹配，第一支路20和第二支路21构成并联馈电结构连接至主支路19，在主支路19与单片微波集成电路14连接处由发射端口18结构变换为CPWG共面波导，来保证阻抗的连续性和对单片微波集成电路14的匹配，同时实现了更高的隔离度。

本发明的24GHz毫米波雷达传感器通过压控振荡器产生一频率在24GHz附近一定范围内的单频信号，这个单频信号的频率可以由用户的调制电压来进行控制，同时用户可以检测分频器输出来得知这一频率。由压控振荡器产生高频信号一部分能量经过功率放大器和发射天线辐射到空间中，另一部分能量提供给接收机作为本振信号，电磁波在空气传播的过程中如遇到目标则会小部分反射，反射回来的回波信号被接收天线截获形成电信号，而接收机始终输出本振信号与回波信号之间的差频和差相作为差拍信号，差拍信号经过滤波器和放大器后由用户进行处理，通过分析差拍信号的频率和相位即可得知空间中目标的位置、速度等信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小型化24GHz毫米波雷达传感器，其特征在于，包括发射天线阵列、接收天线阵列、发射机、接收机、滤波器、放大器、分频器和温度传感器，其中，所述发射天线阵列与发射机相连接，所述发射机与分频器和接收机分别连接，所述接收机与接收天线阵列和滤波器分别连接，所述滤波器还与放大器相连接，所述发射机、接收机、分频器和温度传感器组成单片微波集成电路；所述发射天线阵列和接收天线阵列分布于单片微波集成电路的两侧，整体传感器形状呈长方形。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括金属框，设置在整体的外边缘，还包括两个倒角，设置在金属框的长边同侧两端。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括第一插针和第二插针，分别位于传感器长边的对侧中心位置。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述放大器位于单片微波集成电路与第二插针之间，且在发射天线阵列和接收天线阵列之间。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述发射天线阵列和接收天线阵列均采用四阵元结构。

6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述发射天线阵列包括第一阵元、第二阵元、第三阵元和第四阵元，串联的第一阵元与第二阵元与串联的第三阵元和第四阵元并联，第一阵元与第二阵元之间的水平间距等于第三阵元和第四阵元之间的水平间距，第一阵元与第三阵元之间的垂直间距等于第二阵元与第四阵元之间的垂直间距。

7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述发射天线阵列与所述单片微波集成电路之间设置发射端口，所述接收天线阵列与所述单片微波集成电路之间设置接收端口，发射端口和接收端口均为CPWG共面波导结构。

8.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于，还包括主支路和第一支路，所述发射端口经主支路、第一支路与串联的第一阵元和第二阵元相连。

9.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于，还包括主支路和第二支路，所述发射端口经主支路、第二支路与串联的第三阵元和第四阵元相连。

10.根据权利要求8所述的传感器，其特征在于，所述第一支路上设置第一阻抗匹配节。

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