CN207008054U - 单板式接收/发射前端毫米波雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出的一种单板式接收/发射前端毫米波雷达，旨在提供一种集成度高，通用性好，可满足高、低频功能部件同时兼容工作的单板式雷达系统。本实用新型通过下述技术方案予以实现：毫米波发射天线和毫米波接收天线集成在单基板正面，毫米波射频前端电路和信号处理电路集成在单基板的反面；信号处理电路将控制信号发送到毫米波射频前端电路，毫米波射频前端电路根据控制信号将产生的毫米波射频信号通过毫米波发射天线发射出去；毫米波接收天线将接收到的毫米波射频信号反馈到毫米波射频前端电路；射频前端电路将送处理后的中频信号被送入信号处理电路进行傅里叶变换FFT运算，计算得到目标的径向距离和径向速度信息，通过对外接口电路输出毫米波雷达探测的目标信息。

Description

单板式接收/发射前端毫米波雷达

技术领域

本实用新型是关于毫米波雷达需要进行小型化安装使用的场合，尤其是需要重点突破和解决毫米波天线、毫米波射频前端以及信号处理电路的一体化和小型化设计的单板式接收/发射前端毫米波雷达。

背景技术

随着毫米波技术的迅速发展,越来越多的通信和雷达系统被设计工作在毫米波频段,毫米波在雷达、目标识别和检测、通讯、气象、遥感等领域正在被大量的开发应用。毫米波的工作频率介于微波和光之间,位于微波与远红外波相交叠的波长范围，通常毫米波是指30～ 300GHz频域，波长在1mm～10mm的电磁波。毫米波因其兼有两种波谱的特点，频谱高端接近红外，具有极宽的带宽，使其频谱高端具有接近光学系统的高分辨率特性；毫米波频谱低端接近微波，使其频谱低端具有接近微波系统的全天候能力；加之其可穿透云雾、粉尘和器件体积小、重量轻，易于系统集成，与微波相比，同样天线口径波束窄，抗干扰能力强，具有全天候、全天时的工作能力等优点。但毫米波在大气中传播衰减严重，毫米波在大气中的传播损失主要来自水蒸汽和氧分子对电磁能量的谐振吸收，这是由于水蒸气分子结构中有电矩，氧分子结构中有磁矩，电矩与磁矩和入射场相互作用引起衰减。这种损失主要来源于雨和雾对电磁能量的吸收。在有雨、雾等环境条件下，毫米波的传播损失比微波严重得多。毫米波雷达比微波雷达体积小、重量轻、波束窄、带宽大、抗干扰能力强；比红外或激光传感器气象适应性好。

毫米波雷达系统通常由信号产生器、信号处理电路、信号放大支路、信号接收支路以及天馈等部分组成，工作时，信号产生器产生的雷达信号通过发射机将信号放大后，经天馈系统以一定功率辐射出去。当辐射出去的电磁波在传播路径上碰到各类金属、地物、海面等一定大小的反射物，电磁波被反射物体将以一定的反射率返回，再由天馈系统汇集，并通过雷达接收支路进行下变频、滤波或采样等环节，形成可以被容易处理的模拟或数字信号，经信号处理后，就可获得与被测物体目标相关的距离、方位、俯仰、速度等信息。与毫米波雷达相比较，具备可获取目标信息的红外成像系统，其实现功能和环境适应能力要逊色得多，红外成像依靠目标和背景的温度差异，即温度对比度不同来获得目标信息，在自然天气条件下，红外系统容易受雾、霾、湿度等条件的限制，这些气象条件下对红外线的衰减增大，使其探测能力受到限制，另外不同季节不同时段都会对红外目标和背景的差异产生较大的影响，极易受到天空、地面、海面等自然景象的干扰，同时其获得的是平面两维信息，不能获取目标径向距离数据，因此，红外成像系统有其天然的缺陷，不能提供距离值、无全天候工作能力等，其应用受到了一定的局限性。

毫米波雷达相比于微波雷达，在天线口径相同的情况下，毫米波雷达有更窄的天线波束，可提高雷达的角分辨能力和测角精度，并且有利于抗电子干扰、杂波干扰和多径反射干扰等。毫米波雷达由于工作频率高，可能得到大的信号带宽，如吉赫兹量级带宽和大的多普勒频移，有利于提高距离分辨能力和速度测量精度，并能分析目标特征。

在毫米波雷达系统中，雷达天线和射频前端工作在毫米波频段，而后端信号处理是射频前端下变频和滤波处理后送入的中频信号，通常工作在较低的信号频率，在毫米波雷达系统中实现雷达天线、射频前端和后端信号处理这些工作频率相差甚远的功能单元的一体化兼容设计，是毫米波雷达系统实现小型化研制的技术难点。由于传统毫米波雷达系统的毫米波天线、毫米波射频前端电路、信号处理电路通常采用分开的独立结构模块来保障整个系统的电磁兼容性，三者之间的连接关系复杂，从而导致了雷达设备部件体积较大、重量重、研制费用高。对于要求低成本、轻重量和小型化应用领域，如无人机、汽车、水文探测以及工业应用等，不是一种行之有效的技术途径，随着近几年无人机的快速发展，毫米波雷达用于测高及避障需求尤为迫切，而小型化、低成本、轻重量的毫米波雷达系统设计是无人机应用需要重点考虑的因素之一，因此，对毫米波雷达系统进行单板设计，是迫切需要解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有毫米波雷达系统的不足之处，提供一种实现技术难度小，集成度高，通用性好，可满足高、低频功能部件同时兼容工作的单板式雷达系统，以解决毫米波雷达系统完全独立分开设计，产品体积及重量大、研制成本高的问题。

本实用新型解决现有技术问题所采用的方案是：一种单板式接收/发射前端毫米波雷达，包括：集成在一个单基板上的毫米波射频前端、信号处理电路，毫米波发射天线和毫米波接收天线，其特征在于：单基板正反面贯穿了一个用于连接毫米波射频前端电路和毫米波发射天线的过孔，一个用于连接毫米波射频前端电路和毫米波接收天线的过孔，毫米波发射天线和毫米波接收天线以微带阵子天线形式集成在单基板正面，毫米波射频前端电路和信号处理电路高密度多层布线集成在单基板的反面，并封装在一个结构腔体中；毫米波发射天线和毫米波接收天线分别利用多个微带阵子组合获得对应的天线增益，毫米波接收天线将接收到的毫米波射频信号，通过它的接收馈源口反馈到毫米波射频前端电路；毫米波射频前端电路根据信号处理电路产生的控制信号，将产生的毫米波射频信号，通过它的发射馈源口送入毫米波发射天线，将毫米波射频信号发射出去。

本实用新型相比于现有技术具有如下有益效果：

技术难度小。本实用新型针对毫米波雷达系统的复杂性，将发射和接收毫米波天线设置在同一单基板的正面，将毫米波射频前端电路和信号处理电路设置在同一单基板的反面，正反面之间利用过孔直接连接可减小信号传输损耗，实现技术难度小，避免了毫米波天线、毫米波射频前端电路和信号处理电路之间复杂的通信连接问题。

集成度高。本实用新型同时将毫米波天线、毫米波射频前端电路和信号处理电路同时设置在一个单基板上的集成空间中，在单基板上进行高密度多层布线，并封装在一个结构腔体中，不仅集成度高，体积和重量大大减小，且成本降低、可靠性提高，从而促进了毫米波技术在民用领域的广泛应用。克服了现有技术手段将毫米波天线、毫米波射频前端电路以及信号处理电路分开独立设计，研制独立的结构模块，毫米波雷达系统的体积和重量大、研制成本高的技术缺陷。

通用性好。本实用新型将毫米波雷达系统的毫米波天线、毫米波射频前端电路和信号处理电路同时集成在同一个单基板上，实现了小型化、轻重量以及低成本的毫米波雷达系统设计，可满足不同应用平台的通用化安装需求，信号处理电路中的软件选择采用不同配置参数，毫米波雷达系统就可实现不同的技术指标精度，满足各种平台的不同应用需求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本专利进一步说明。

图1是本实用新型单基板式毫米波雷达系统电路原理框图。

图2是图1毫米波射频前端的电路原理框图。

具体实施方式

参阅图1。在以下实施例描述的实施例中，一种单板式接收/发射前端毫米波雷达，包括：集成在一个单基板上的毫米波射频前端、信号处理电路，毫米波发射天线和毫米波接收天线，其中：毫米波发射天线和毫米波接收天线集成在单基板正面，毫米波发射天线和毫米波接收天线均采用微带阵子天线形式，毫米波发射天线和毫米波接收天线分别利用多个微带阵子组合，毫米波雷达系统就能获得对应的天线增益。毫米波射频前端电路和信号处理电路集成在单基板的反面；单基板正、反面贯穿了两个过孔，一个过孔用于连接毫米波射频前端电路和毫米波发射天线，另一个过孔用于连接毫米波射频前端电路和毫米波接收天线。信号处理电路将控制信号发送到毫米波射频前端电路，毫米波射频前端电路根据控制信号将产生的毫米波射频信号，通过它的发射馈源口送入毫米波发射天线，将毫米波射频信号发射出去，毫米波接收天线将接收到的毫米波射频信号，通过它的接收馈源口反馈到毫米波射频前端电路，在射频前端电路中，对发射的毫米波射频信号和接收到的毫米波射频信号进行相关处理，送处理后的中频信号至信号处理电路，在信号处理电路中对中频信号进行采样变换 ADC、傅里叶变换FFT运算，就可计算得到目标的径向距离和径向速度信息，通过对外接口电路输出毫米波雷达探测的目标信息。

参阅图2。毫米波射频前端电路包括：带有发射馈源口的毫米波发射前端电路、带有接收馈源口的毫米波接收前端电路和相关处理电路，其中，毫米波发射前端电路包括顺次串联的压控振荡器VCO、功分器和功率放大器PA；相关处理电路包括乘法器串联的低通滤波器LPF，毫米波接收前端电路包括电连接上述乘法器的低噪声放大器LNA。在毫米波发射前端电路中，压控振荡器VCO在外部输入信号控制下，将产生的毫米波信号送入功分器，功分器将毫米波信号分为两路，一路送功率放大器PA放大后输出至发射馈源口，另一路送乘法器，在乘法器中与由接收馈源口输入至低噪声放大器LNA放大后的信号进行乘法处理，经低通滤波器LPF滤波后，输出中频处理信号。

信号处理电路包括：顺次串联的模数变换器ADC、微处理器MCU和输出目标信号的对外接口电路，其中，模数变换器ADC对送入的低频信号进行采样处理，送微处理器 MCU实现傅里叶变换FFT运算，微处理器MCU同时向毫米波射频前端电路送出控制信号和目标信息的两路信号，目标信息经对外接口电路输出。信号处理电路对毫米波射频前端电路送入的中频信号进行信号实时处理，获得目标信息。

本实用新型特别参照优选的实施例来说明和展示，本领域的技术人员应理解，可以在形式上和内容上作出改型而不偏离本实用新型精神和范围。

Claims (6)

1.一种单板式接收/发射前端毫米波雷达，包括：集成在一个单基板上的毫米波射频前端、信号处理电路，毫米波发射天线和毫米波接收天线，其特征在于：单基板正反面贯穿了一个用于连接毫米波射频前端电路和毫米波发射天线的过孔，一个用于连接毫米波射频前端电路和毫米波接收天线的过孔，毫米波发射天线和毫米波接收天线以微带阵子天线形式集成在单基板正面，毫米波射频前端电路和信号处理电路高密度多层布线集成在单基板的反面，并封装在一个结构腔体中；毫米波发射天线和毫米波接收天线分别利用多个微带阵子组合获得对应的天线增益，毫米波接收天线将接收到的毫米波射频信号，通过它的接收馈源口反馈到毫米波射频前端电路；毫米波射频前端电路根据信号处理电路产生的控制信号，将产生的毫米波射频信号，通过它的发射馈源口送入毫米波发射天线，将毫米波射频信号发射出去。

2.按权利要求1所述的单板式接收/发射前端毫米波雷达，其特征在于，射频前端电路对毫米波发射天线发射的毫米波射频信号和毫米波接收天线接收到的毫米波射频信号进行相关处理，送处理后的中频信号被送入信号处理电路，在信号处理电路中对中频信号进行采样变换ADC、傅里叶变换FFT运算，计算得到目标的径向距离和径向速度信息，通过对外接口电路输出毫米波雷达探测的目标信息。

3.按权利要求1所述的单板式接收/发射前端毫米波雷达，其特征在于，毫米波射频前端电路包括：带有发射馈源口的毫米波发射前端电路、带有接收馈源口的毫米波接收前端电路和相关处理电路，其中，毫米波发射前端电路包括顺次串联的压控振荡器VCO、功分器和功率放大器PA；相关处理电路包括乘法器串联的低通滤波器LPF，毫米波接收前端电路包括电连接上述乘法器的低噪声放大器LNA。

4.按权利要求1所述的单板式接收/发射前端毫米波雷达，其特征在于，在毫米波发射前端电路中，压控振荡器VCO在外部输入信号控制下，将产生的毫米波信号送入功分器，功分器将毫米波信号分为两路，一路送功率放大器PA放大后输出至发射馈源口，另一路送乘法器，在乘法器中与由接收馈源口输入至低噪声放大器LNA放大后的信号进行乘法处理，经低通滤波器LPF滤波后，输出中频处理信号。

5.按权利要求1所述的单板式接收/发射前端毫米波雷达，其特征在于，信号处理电路包括：顺次串联的模数变换器ADC、微处理器MCU和输出目标信号的对外接口电路，其中，模数变换器ADC对送入的低频信号进行采样处理，送微处理器MCU实现傅里叶变换FFT运算，微处理器MCU同时向毫米波射频前端电路送出控制信号和目标信息的两路信号，目标信息经对外接口电路输出。

6.按权利要求5所述的单板式接收/发射前端毫米波雷达，其特征在于，信号处理电路对毫米波射频前端电路送入的低频信号实现信号实时处理，获得目标信息。