CN102866387A - 毫米波fmcw两单元相控阵测距测速单片雷达收发机 - Google Patents

Abstract

毫米波FMCW两单元相控阵测距测速单片雷达收发机属于测距测速雷达收发机领域，其特征在于，由FMCW发射模块、两单元接收模块、数字控制模块以及偏置产生模块构成，FMCW发射模块用于产生FMCW连续波调制信号，放大之后通过天线发射出去，两单元接收模块用于完成对从目标反射回的信号进行处理，数字控制模块用于对***内部的可配置量提供控制，FMCW调制信号的扫频周期、扫频带宽、发射信号的功率、接收支路的增益、五阶巴特沃斯低通滤波器的带宽以及移相器的移相值都可以进行配置，可以应用于近距离、远距离以及不同角度的目标的检测。

Description

毫米波FMCW两单元相控阵测距测速单片雷达收发机

技术领域

本发明属于测距测速雷达收发机领域，尤其涉及到采用单芯片集成电路技术实现的工作于毫米波波段的采用连续波调制（FMCW）方式的二单元相控阵接收的雷达收发装置。

背景技术

毫米波所处于的频段为30GHz~300GHz，其波长在1mm~10mm的范围内。由于其波长的特殊性，毫米波具有独特的性质，与亚毫米波，红外直至可见光频段相比，毫米波在烟、雾、云、沙尘暴等环境中衰减非常小。因此在许多红外和可见光探测设备不能正常工作的场景下，毫米波依然可以正常工作，从而可以大大提高毫米波探测设备对复杂环境的适应性。由于毫米波的这些特性，其在雷达方面的应用有着较大的优势。

毫米波雷达可以应用在汽车防撞雷达方面，汽车防撞雷达通过检测前方目标的距离和速度，当检测值不在正常范围的时候便发出预警或者强制处理措施，以减少撞车事故发生的可能性。汽车防撞雷达安装在汽车的前方，必须要适应各种复杂的路况，能够在各种环境下检查处汽车前方的目标。相比倒车雷达和后视雷达而言，对汽车防撞雷达的要求更加苛刻: 要求能够侦查到前方区域所有运动和静止目标；要求具有足够动态范围，能够检测不同距离的具有不同雷达截面积的目标；一般而言要求***作用距离在300m左右；***的响应时间必须足够快，否则可能因为***响应太慢，即使做出了预警司机也来不及反应；***要小，便于在车上安装。毫米波雷达由于其在各种复杂环境下的稳定探测性能，是实现汽车防撞雷达的最好选择。毫米波雷达主要使用的频段为77GHz。欧洲在2005年已经将77~91GHz分配给毫米波超带宽雷达，原有频段21.65~ 26.65GHz的短距雷达在2013年之前全部退出市场，留给毫米波雷达8年的发展过渡期。

目前市场存在的大部分毫米波雷达，均采用分立微波元件实现，其体积较大以及价格昂贵，限制了毫米波雷达的广泛使用。采用集成电路技术将其集成化是解决其成本问题的一个可行的方案。集成电路制造工艺的进步为人们提供了此种可能性。目前为止，CMOS工艺晶体管的截止频率已经超过了200GHz，采用这样的工艺进行毫米波雷达的设计室完全可行的。为了获得高增益，毫米波雷达的天线波束往往较窄，仅仅能够检测某个小角度内的目标，例如，毫米波汽车前向防撞雷达的天线波束一般为15度左右。如果将相控阵技术应用于毫米波雷达，使得其波束可以在控制下进行角度的扫描，这样能够大大的扩展毫米波雷达的应用范围。

本发明提出了一种采用单芯片集成电路技术实现的两单元相控阵毫米波雷达***，此***采用连续波调频（FMCW）的调制方式，可以测量目标的距离和速度，同时，此***具有两路接收通路，通过在***内部设计移相器，可以实现两单元的相控阵接收机，实现180度的波束覆盖范围。***内部有多个可配置的参数，可以根据所需要的测量范围以及精度来自主进行配置，从而大大提高了此***的应用范围。采用单芯片集成电路的技术也会给此***带来成本以及体积上的优势。

发明内容

本发明的目的在于提出一种采用FMCW调制方式的两单元相控阵测距测速单片雷达***，其特征在于包括：连续波调制方式的发射模块，以下简称FMCW发射模块、两单元接收模块、数字控制模块以及偏置产生模块，其中：

FMCW发射模块，用于产生FMCW调制信号，依次经第三缓冲放大器、功率放大器PA放大后，再经发射天线发射出去，所述FMCW发射模块，包括：锁相环PLL、功率放大器PA以及缓冲放大器BUF1~BUF3，其中：

锁相环PLL，以下简称锁相环，包括：鉴频鉴相器PFD，以下简称鉴频鉴相器、电荷泵CP，以下简称电荷泵、环路滤波器LOOP FILTER，以下简称环路滤波器、压控振荡器VCO，以下简称压控振荡器、依次1/2分频的四个分频器DIV1~DIV4、16~23可配置整数分频的分频器DIV5以及DELTA-SIGMA调制器DSM，以下简称调制器，其中，所述鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器以及五个分频器DIV1~DIV5依次串接成环状，所述鉴频鉴相器的第一输入端输入参考频率F_REF信号，第二输入端则与第五个分频器DIV5分频后的分频信号输出端相连，所述第五分频器DIV5的分频控制信号输入端与调制器的调制信号输出端相连，所述压控振荡器的输出端依次连接第一缓冲放大器BUF1以及放大增益可调的第三缓冲放大器BUF3，

功率放大器PA，输入端与所述第三缓冲放大器BUF3的输出端相连，用于将产生的FMCW调制信号进行功率放大，再通过发射天线发射出去；

两单元接收模块，用于对接收到的回波进行下变频、放大和滤波，再转换为数字信号供外部的数字处理部分处理，所述两单元接收模块包括：

两路平行的低噪声放大器，分别用LNA1及LNA2表示、两路平行的混频器，分别用MIXER1及MIXER2表示、两路平行的移相器，分别用PHASESHIFTER1及PHASE SHIFTER2表示、三个缓冲放大器，分别用BUF2、BUF4及BUF5表示、跨阻放大器，用TIA表示、模拟基带部分以及数模转换器ADC，其中：

两路平行的低噪声放大器，用于对从接收天线接收到的两路信号RXIN_1和RXIN_2进行放大，以压制后续模块的噪声，向所述两路平行的混频器对应的提供输入信号，

两路平行的混频器，分别对输入的信号进行混频后得到中频信号，该混频器均为无源混频器，两个混频器的差分输出的正端之间相连接，差分输出的负端之间也相连接，

五个缓冲放大器，其中，第二缓冲放大器BUF2的输入与第一缓冲放大器BUF1的输出端相连，对输入的所述FMCW发射模块产生的本振信号进行缓冲放大后，同时传送到第四缓冲放大器BUF4和第五缓冲放大器BUF5的输入端，分别各自经放大之后分别送往相应的第一移相器PHASESHIFTER1和第二移相器PHASE SHIFTER2，

两路平行的移相器，分别对各自输入的所述FMCW发射模块产生的本振信号进行单端到差分的转换，同时分别在输入的第一移相控制信号PHASE CTRL1、第二移相控制信号PHASE CTRL2的控制下完成移相功能，结果输出给对应的第一混频器MIXER1和第二混频器MIXER2，所述的两个移相控制信号PHASE CTRL1、PHASE CTRL2来自所述的数字控制模块，分别覆盖360度范围。

跨阻放大器，用TIA表示，由跨导放大器OTA及两个反馈电阻RES1、RES2构成，所述跨导放大器的OTA的正负两个输入端分别与所述两路平行的混频器相对应的正负输出端相连接，并将其输出的电流信号转化为电压信号，

模拟基带部分，包括：三个可编程增益放大器PGA1~PGA3、五阶巴特沃斯低通滤波器LPF以及三个直流失调消除反馈模块DCOC1~DCOC3，其中：所述三个可编程增益放大器的增益依次设置为6dB、12dB、18dB或者24dB，所述五阶巴特沃斯低通滤波器的带宽依次设置为200kHz、500kHz、1MHz或者2MHz，第一可编程增益放大器PGA1、五阶巴特沃斯低通滤波器LPF、第二可编程增益放大器PGA2以及第三可编程增益放大器PGA3依次连接，所述第一可变成增益放大器PGA1的输入端与跨导放大器OTA的输出端相连接，所述PGA3的输出连接到数字模拟转换ADC的输入端，第一直流失调消除反馈模块DCOC1的输入端与所述五阶巴特沃斯低通滤波器的输出端连接，所述第一直流失调消除反馈模块DCOC1的输出端与第一可编程增益放大器PGA1的输入端相连，第二直流失调消除反馈模块DCOC2的输入端与第二可编程增益放大器PGA2的输出端连接，所述第二直流失调消除反馈模块DCOC2的输出端与第二可编程增益放大器PGA2的输入端相连，第三直流失调消除反馈模块DCOC3的输入端与第三可编程增益放大器PGA3的输出端连接，所述第三直流失调消除反馈模块DCOC3的输出端与第三可编程增益放大器PGA3的输入端相连，从而实现对整个接收通路的直流失调的抑制；

数字控制模块，为所述外部数字处理部分提供接口，并对所有可配置变量进行控制，包括：所述FMCW调制信号的扫频周期、扫频带宽、发射信号的功率、接收支路的增益、五阶巴特沃斯低通滤波器的带宽以及移相器的移相值，所述数字控制模块包括：串行数据接口，用SPI表示、寄存器堆以及三角波发生器，其中：

串行数据接口，用于与所述外部数字处理部分通信，将控制信号写入内部寄存器堆，所述串行数据接口的输入端分别为外部时钟CLK、外部状态翻转时钟SCLK、外部片选信号SCS以及外部串行输入数据SDI，所述串行数据接口的第一输出端为串行数据输出端SDO，所述串行数据接口的第二输出端连接到寄存器堆的输入，用于控制寄存器堆中的寄存器存储的数值，

寄存器堆，用于控制三角波发生器的状态以及为此雷达中所有可配置变量提供控制，包括：所述FMCW调制信号的扫频周期、扫频带宽、发射信号的功率、接收支路的增益、五阶巴特沃斯低通滤波器的带宽以及移相器的移相值，所述寄存器堆的输入端与串行数据接口的输出端相连接，所述寄存器堆的输出端与三角波发生器的输入端以及其余可配置变量的控制端相连接，

三角波发生器，用于产生三角波波形，给FMCW发射模块中的调制器提供控制信号，从而产生FMCW连续波调制的信号，所述三角波发生器的输入端与寄存器堆相连接，所述三角波发生器的输出端与FMCW发射模块中的调制器的输入端相连接；

偏置产生模块，为毫米波FMCW两单元相控阵测距测速单片雷达收发机提供所需的偏置电压以及偏置电流。

本发明的测距测速单片雷达***，其优点第一在于采用单芯片集成电路技术实现，***的尺寸小而且成本低，第二在于可以对其中的许多***指标进行配置，在发射机部分，FMCW调制信号的扫频周期，扫频带宽，以及发射信号的功率可以进行配置；在接收机部分，接收机的增益，中频带宽，移相器角度可以进行配置，从而此***可以应用于近距离、远距离以及不同角度的目标的检测，可以针对不同的应用实现不同的精度。

附图说明

图1 是毫米波FMCW两单元相控阵测距测速单片雷达***的结构图。

图2 是毫米波FMCW两单元相控阵测距测速单片雷达***的一个实施例。

图3 是FMCW调制信号实现测距测速的原理图。

图4是相控阵接收机的原理图。

具体实施方式

本发明由FMCW发射模块、两单元接收模块、数字控制模块以及偏置产生模块组成。FMCW发射模块又主要由产生FMCW调制信号的锁相环PLL以及功率放大器PA构成；两单元接收模块主要由两路平行的低噪声放大器LNA1和LNA2、两路平行的混频器MIXER1和MIXER2和两路平行的移相器PHASE SHIFTER1和PHASE SHIFTER2、模拟基带部分和数模转换器ADC构成。

在图2中给出了此测距测速单片雷达***的一个实施例。该实施例包含三部分，天线部分、测距测速单片雷达部分以及数字处理基带部分。其中，天线部分包括两个接收天线RX_ANT_1以及RX_ANT_2和一个发射天线TX_ANT,数字处理基带部分包括控制逻辑、FFT变换、SPI接口控制、幅值检测以及距离速度信息处理逻辑。此实施例的工作过程可描述如下：数字基带产生FMCW波形控制信号控制FMCW连续调频的周期以及扫频的带宽，通过数字控制接口提供给测距测速雷达中的三角波发生器模块TRI GEN，然后三角波发生器模块产生一个数字三角波信号提供给DELTA-SIGMA调制器模块，从而控制了锁相环PLL的小数分频比，从而在VCO的输出端产生一个扫频带宽以及周期都受控制的毫米波FMCW信号，此信号经过缓冲放大之后一部分提供给功率放大器P），经过发射天线TX_ANT发射出去，上述即为此实施例的发射过程；发射信号在遇到目标之后反射回接收天线RX_ANT_1以及RX_ANT_2，进入***内部后分别经过两路低噪声放大器放大，由混频器与移相之后的本振信号进行混频，本振信号由前面提及的PLL提供，从而得到中频信号，中频信号经过低通滤波器滤波，带宽可配置为200kHz、500kHz、1MHz或者2MHz，再经过可编程增益放大器放大，其增益根据数字基带幅度检测模块的检测结果进行自动配置，使得其增益在一个合适的范围内，最后进过ADC转化为8位数字信号进入数字基带部分，上述即为此实施例的接收过程；数字信号进入数字基带之后，经过FFT变换转换为频域，对其进行幅度检测，以及通过一定的处理得出目标的距离和速度的信息，幅度检测的结果通过控制逻辑生成相应的控制量，由SPI接口写入测距测速单片雷达收发机***内部，改变其内部的配置以适应当前的应用环境，上述即为数字基带信号处理过程。

本测距测速雷达***采用FMCW的连续波调制机制进行距离和速度的测量，其原理解释如下：

FMCW调制产生的频率随时间呈三角波形状变化，如图3所示。设FMCW扫频周期为T_m，扫频带宽范围为BW。对于静止目标，设目标距离为R，那么目标反射回波与本振产生的调制波形之间的时间差Δt=2R/c，其中c为光速。

那么混频之后产生的中频信号频率与目标距离有如下关系，

$\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{IF}}=\frac{2\mathrm{BW}}{T_m}\frac{2R}{c},\\ R=\frac{f_{\mathrm{IF}}c{T}_m}{4\mathrm{BW}}\end{array}$

由于三角波扫描周期在2ms左右，而目标返回时差仅仅有ns量级，因此混频之后中频信号中间那一段凹陷可以忽略不计。对于静止目标，可以看做目标距离与中频频率线性相关，通过FFT变换测定中频频率即可得到目标距离。

对于运动中的目标，由于多普勒频移，在三角波上升周期和下降周期的回波频率有差别，根据此频率差别即可确定运动目标的速度，设混频之后得到的两个频率为f₁和f₂，那么速度公式如下所示:

$v=\frac{c|f_1-f_2|}{2f_0}$

其中f₀为FMCW扫频中心频率。根据上述两个公式，即可确定物体的目标与速度。目标的距离和速度的计算过程在片外的数字基带部分实现。

此测距测速雷达采用两单元的相控阵接收结构，通过***内部的移相器对本振信号进行移相，两路经过混频后的信号合成，可以等效出不同方向的合成波束。两单元相控阵的原理可解释如下：

图4所示的是N个单元构成的天线，沿y轴等间距排成一条直线，天线单元间距为d。假设各个天线单元都是相同的全向天线。

相控阵天线接收有许多条通路，每条通路都连接到一个天线单元上。每个天线单元独立的接收从远场辐射过来的电磁波，在远场的条件下可以近似为平面波。当有一定的入射角度时，电磁波到达各个天线单元的时间是不同的。相控阵对各个天线单元接收信号的时间间隔进行补偿，到达加法器前各路信号相位相同，这样相加以增强对此方向信号的接收。其他方向的信号由于各路相位不同，在加法器之后相互干涉得到抑制。

设载波频率为ω_c的平面波入射到天线阵列上，与阵列平面的法线夹角为θ，天线阵列之间的距离为d。则相邻天线阵元之间接收信号的相位差

为

其中λ_c为入射电磁波波长，c为光速。设到达第一个天线的信号为

其中A和为入射信号幅度和相位，当载波频率ω_c远大于调制信号的频率时，短时间内A和

可以视为常数。则第k个天线单元接收信号为

移相单元对各路信号的相位进行补偿，设第k路信号移相值为为kΔφ，则最后经过相加之后的信号为

当移相器的移相值恰好补偿入射角度造成的相位差，即

$\mathrm{k\Δ\φ}=k\frac{{\mathrm{\ω}}_{c}d\sin \mathrm{\θ}}{c}=k\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\θ}$

时，相加输出取得最大值。故相控阵天线主波束方向为

${\mathrm{\θ}}_{\max }=\arcsin \left(\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\πd}}\mathrm{\Δ\φ}\right)$

故改变阵内相邻单元之间的相位差Δφ就可以改变相控阵天线主波束的指向。

上述即为相控阵接收机的基本原理。在本发明中，移相器的位置位于本振端，对本振进行移相，经过混频器混频之后，能够得到等效的移相效果。在本振端进行移相的优势在于不会给射频通路引入额外的损耗。

Claims (1)

1.毫米波FMCW两单元相控阵测距测速单片雷达收发机，其特征在于，包括：连续波调制方式的发射模块，以下简称FMCW发射模块、两单元接收模块、数字控制模块以及偏置产生模块，其中：

FMCW发射模块，用于产生FMCW调制信号，依次经第三缓冲放大器、功率放大器PA放大后，再经发射天线发射出去，所述FMCW发射模块，包括：锁相环PLL、功率放大器PA以及缓冲放大器BUF1~BUF3，其中：

锁相环PLL，以下简称锁相环，包括：鉴频鉴相器PFD，以下简称鉴频鉴相器、电荷泵CP，以下简称电荷泵、环路滤波器LOOP FILTER，以下简称环路滤波器、压控振荡器VCO，以下简称压控振荡器、依次1/2分频的四个分频器DIV1~DIV4、16~23可配置整数分频的分频器DIV5以及DELTA-SIGMA调制器DSM，以下简称调制器，其中，所述鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器以及五个分频器DIV1~DIV5依次串接成环状，所述鉴频鉴相器的第一输入端输入参考频率F_REF信号，第二输入端则与第五个分频器DIV5分频后的分频信号输出端相连，所述第五分频器DIV5的分频控制信号输入端与调制器的调制信号输出端相连，所述压控振荡器的输出端依次连接第一缓冲放大器BUF1以及放大增益可调的第三缓冲放大器BUF3，

功率放大器PA，输入端与所述第三缓冲放大器BUF3的输出端相连，用于将产生的FMCW调制信号进行功率放大，再通过发射天线发射出去；

两单元接收模块，用于对接收到的回波进行下变频、放大和滤波，再转换为数字信号供外部的数字处理部分处理，所述两单元接收模块包括：

两路平行的低噪声放大器，分别用LNA1及LNA2表示、两路平行的混频器，分别用MIXER1及MIXER2表示、两路平行的移相器，分别用PHASESHIFTER1及PHASE SHIFTER2表示、三个缓冲放大器，分别用BUF2、BUF4及BUF5表示、跨阻放大器，用TIA表示、模拟基带部分以及数模转换器ADC，其中：

两路平行的低噪声放大器，用于对从接收天线接收到的两路信号RXIN_1和RXIN_2进行放大，以压制后续模块的噪声，向所述两路平行的混频器对应的提供输入信号，

两路平行的混频器，分别对输入的信号进行混频后得到中频信号，该混频器均为无源混频器，两个混频器的差分输出的正端之间相连接，差分输出的负端之间也相连接，

五个缓冲放大器，其中，第二缓冲放大器BUF2的输入与第一缓冲放大器BUF1的输出端相连，对输入的所述FMCW发射模块产生的本振信号进行缓冲放大后，同时传送到第四缓冲放大器BUF4和第五缓冲放大器BUF5的输入端，分别各自经放大之后分别送往相应的第一移相器PHASESHIFTER1和第二移相器PHASE SHIFTER2，

两路平行的移相器，分别对各自输入的所述FMCW发射模块产生的本振信号进行单端到差分的转换，同时分别在输入的第一移相控制信号PHASE CTRL1、第二移相控制信号PHASE CTRL2的控制下完成移相功能，结果输出给对应的第一混频器MIXER1和第二混频器MIXER2，所述的两个移相控制信号PHASE CTRL1、PHASE CTRL2来自所述的数字控制模块，分别覆盖360度范围。

跨阻放大器，用TIA表示，由跨导放大器OTA及两个反馈电阻RES1、RES2构成，所述跨导放大器的OTA的正负两个输入端分别与所述两路平行的混频器相对应的正负输出端相连接，并将其输出的电流信号转化为电压信号，

模拟基带部分，包括：三个可编程增益放大器PGA1~PGA3、五阶巴特沃斯低通滤波器LPF以及三个直流失调消除反馈模块DCOC1~DCOC3，其中：所述三个可编程增益放大器的增益依次设置为6dB、12dB、18dB或者24dB，所述五阶巴特沃斯低通滤波器的带宽依次设置为200kHz、500kHz、1MHz或者2MHz，第一可编程增益放大器PGA1、五阶巴特沃斯低通滤波器LPF、第二可编程增益放大器PGA2以及第三可编程增益放大器PGA3依次连接，所述第一可变成增益放大器PGA1的输入端与跨导放大器OTA的输出端相连接，所述PGA3的输出连接到数字模拟转换ADC的输入端，第一直流失调消除反馈模块DCOC1的输入端与所述五阶巴特沃斯低通滤波器的输出端连接，所述第一直流失调消除反馈模块DCOC1的输出端与第一可编程增益放大器PGA1的输入端相连，第二直流失调消除反馈模块DCOC2的输入端与第二可编程增益放大器PGA2的输出端连接，所述第二直流失调消除反馈模块DCOC2的输出端与第二可编程增益放大器PGA2的输入端相连，第三直流失调消除反馈模块DCOC3的输入端与第三可编程增益放大器PGA3的输出端连接，所述第三直流失调消除反馈模块DCOC3的输出端与第三可编程增益放大器PGA3的输入端相连，从而实现对整个接收通路的直流失调的抑制；

数字控制模块，为所述外部数字处理部分提供接口，并对所有可配置变量进行控制，包括：所述FMCW调制信号的扫频周期、扫频带宽、发射信号的功率、接收支路的增益、五阶巴特沃斯低通滤波器的带宽以及移相器的移相值，所述数字控制模块包括：串行数据接口，用SPI表示、寄存器堆以及三角波发生器，其中：

串行数据接口，用于与所述外部数字处理部分通信，将控制信号写入内部寄存器堆，所述串行数据接口的输入端分别为外部时钟CLK、外部状态翻转时钟SCLK、外部片选信号SCS以及外部串行输入数据SDI，所述串行数据接口的第一输出端为串行数据输出端SDO，所述串行数据接口的第二输出端连接到寄存器堆的输入，用于控制寄存器堆中的寄存器存储的数值，

寄存器堆，用于控制三角波发生器的状态以及为此雷达中所有可配置变量提供控制，包括：所述FMCW调制信号的扫频周期、扫频带宽、发射信号的功率、接收支路的增益、五阶巴特沃斯低通滤波器的带宽以及移相器的移相值，所述寄存器堆的输入端与串行数据接口的输出端相连接，所述寄存器堆的输出端与三角波发生器的输入端以及其余可配置变量的控制端相连接，

三角波发生器，用于产生三角波波形，给FMCW发射模块中的调制器提供控制信号，从而产生FMCW连续波调制的信号，所述三角波发生器的输入端与寄存器堆相连接，所述三角波发生器的输出端与FMCW发射模块中的调制器的输入端相连接；

偏置产生模块，为毫米波FMCW两单元相控阵测距测速单片雷达收发机提供所需的偏置电压以及偏置电流。

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