24GHz毫米波雷达的频率源设计与实现

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毫米波雷达是一种在毫米波波段进行工作和探测的雷达,它具有波束窄、质量轻、空间分辨率高的特点,穿透烟雾的能力较强,因此应用在我国许多重要的军事系统和环境复杂的交通系统中。20世纪80年代开始,微电子技术和电子器件的快速发展使得雷达的系统结构不断更新,使得雷达在杂波和环境噪声比较严重的情况下能够提高检测小运动目标的性能。目前我国虽然已经研制出24GHz与77GHz频段的雷达产品,但大部分产品不能满足实际应用的要求,并且产品成本较高。以车载应用为例,由于短距离车载雷达的频段划分与其他国家有所差异,使得其他国家大多数的芯片及相关器件不能满足我国的应用需求,最终导致相关产品难以推广。雷达的主要作用包括速度、距离、方位等信息的测量,为了获得这些信息,通常以进行探测的波形包括连续波、宽带线性调频波、脉冲步进频率波等,其中收发分置的调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)雷达的体制消除了距离盲区,并能利用较宽的带宽获得距离高分辨率。该类型雷达的结构简单,它对发射的峰值功率要求更低,因此被广泛应用在无人机、智能驾驶等领域。在雷达系统的组成中,频率源被称为“心脏”,直接决定雷达探测的性能。常用的频率源包括压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator,VCO)与直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)两类。其中DDS具有频率分辨率高、频率转换速度快等特点,但是存在工作频率不高、杂散严重等问题。VCO具有频率稳定度好、控制灵敏度高、调频范围宽、频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等特点,但是存在频率分辨率低、相位噪声高等问题,因此,在应用中需要根据实际需求进行选择。以车载雷达应用为例,前者根据VCO的输入电压与输出信号频率特性实现24GHz的频率信号输出,常用于倒车和侧位探测;而后者需要经过一系列的倍频、混频、滤波等最终实现24GHz的频率信号输出,常用于前方目标探测。本文以车载雷达探测应用为背景,针对雷达频率源的设计问题,围绕VCO毫米波雷达频率源和DDS毫米波雷达频率源展开研究工作。主要研究工作如下:研究毫米波雷达的频率源工作模式,搭建VCO毫米波雷达频率源系统,采用变周期三角频率工作方式,可用于雷达测速测距功能;设计DDS频率源和搭建DDS毫米波雷达频率源系统,包括带通椭圆滤波器设计和编码调频连续波的跳频设计新方法能够有效提高系统的抗干扰性能。本文的研究工作着眼于提高频率源的输出频率,提高频率源对输出信号的杂散抑制能力,增强频率源输出信号抗干扰能力,为毫米波雷达提供高性能的频率源。希望通过本文的研究能为我国毫米波雷达事业尽一点绵薄之力。
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