Ka波段交通雷达系统的设计

文/贺德溪（安徽蓝盾光电子股份有限公司）

随着交通的迅猛发展，公路安全问题变得异常严峻，较高的行驶速度是导致交通事故的主要原因。为了减少超速行驶引起的交通事故，各地交管系统采用了很多办法，例如通过地感线圈、视频、雷达等方式测量车速，但这些方法在应用过程中也会出现许多问题。地感线圈需要破坏路面，且长时间被碾压会出现测速不准的问题；视频测速易受大雾天气的干扰；雷达测速是现阶段使用最广泛的方法，可以方便交警执法，减少事故的发生。

交通雷达主要使用三个波段：X波段（10.5GHz±25MHz）、K 波段(24.15GHz±45MHz)、Ka 波段(35.1GHz±100MHz)。市面上基于K波段、X波段的成熟技术方案较多，配套产品也主要在这两个波段应用，而Ka波段的应用较少，主要原因是没有核心部件——能直接产生Ka波段的振荡器。本文提出一种交通雷达系统，振荡器通过倍频的方式产生所需要的频率，电路应用微带集成设计，通过混频、放大滤波、AD转换，把采集的信号送到ARM数据处理器；然后依据振荡器、倍频器、混频器系统要求进行选择，给出了硬件电路的器件选型，并对电路进行仿真，仿真结果满足系统设计需求。

一、交通雷达总体设计方案

交通雷达系统是以多普勒效应检测原理进行目标检测，对运动的车辆进行测速[1]。交通雷达的整体结构见图1。压孔振荡器产生的正弦高频信号经过倍频器产生Ka波段频率，经过功分器把一部分信号经过发射天线辐射出去，遇到运动车辆，发射的电磁波经车辆反射后一部分被雷达接收，接收的车辆回波信号与发射信号存在一个随着时间变化的相位差，从而导致回波信号频率不同于发射频率。回波信号经过正交混频，得到的差频信号再经过放大滤波电路对信号进行加强，进行AD采样，送到ARM处理器，最后经过算法完成实时信号解析，并作相应的杂波滤除噪声、频率变换分析等处理，从而实现对运动车辆的方向和速度测量。

图1 交通雷达整体结构

二、硬件电路设计

1.收发天线模块

收发天线主要用于Ka波段频率发送和接收，由于收发天线采用微带进行加工，具有易共性、尺寸小、增益高、质量轻、免调试等优点。采用单天线结构进行设计，利用微带环形器单向传输的原理，集成电路上对发射信号和接收信号进行隔离，防止发射信号过高影响接收系统，并对连接部分进行阻抗匹配设计，减小阻抗失配而造成的反射损耗。设计微带贴片阵列天线，提高性能，便于加工装配。

2.压控振荡器模块

发射频率的核心是压控振荡器[2]，其原理是将变容二极管安装在电路上，通过控制调谐电压的变化改变二极管电容值，从而改变振荡频率。由于交通雷达测速距离比较短，发射功率较小，从小型化和降低调试难度上考虑，设计时选用体积小、质量轻、频率稳定度好、能适应各种环境的芯片。根据系统指标的技术要求选择ADI公司HMC733芯片，相位噪声-90dBc/Hz@100kHz。

3.倍频器模块

由于设计的频率在Ka波段，频率为35.1GHz，若直接采用频率模块，价格较高不利于批量生产。而选用有源频器进行二倍频，输入功率低，不需要进行放大，倍频损耗小，可以产生倍频增益，倍频效率较高，温度稳定性好。因此采用GaAsFET有源倍频HMC579芯片，该芯片内置匹配阻抗，通过可调电源进行调谐电压输出，进而控制输出频率。

4.混频器模块

正交混频器主要把Ka波段频率转换成易于处理的低频信号，对低频信号进行运算放大，通过混频器产生两路可区分方向信号。混频电路设计使用HMC8192 GaAsMMIC正交混频器。该芯片集成了微带功分器、平衡电桥和两路混频器[3]，在电路上振荡器通过倍频、90°正交电桥分为两路信号。由于混频降低频率源引入调幅噪声所产生的中频噪声，信号的输入损耗降低，满足系统指标需求，同时对测速雷达接收信号比较弱的情况有更高的信噪比，可以减少前端设计的所需的低噪声放大器，增加接收灵敏度。

5.功分器模块

雷达频率输出通过功分器分成两路，一路输出经过发射天线辐射，一路对混频器与接收信号进行混频。若采用电阻网络制作功分器，频率高时电阻损耗比较大，造成输出信号两个端口隔离度低，满足不了指标要求，会降低整个系统的稳定性。因此在实际设计过程中应用微带进行设计[4]，采用Wilkinson功分器，可输出双路同电压，隔离电阻没有电流通过，不会造成能量损耗。电路制作在0.38mm厚的Rogers5880板上，相对介电常数为3.25，根据介质板的参数可以计算得到阻抗值50Ω的微带线宽度0.45mm。为了优化功分器的性能，采用Advanced Design System（ADS2016）电磁仿真软件对功分器的损耗和隔离度进行了仿真和优化,设置优化控制器和优化目标对微带线宽和线长进行调整。通过软件设计的电路的优化隔离度S参数仿真结果如图2所示。

图2 功分器仿真曲线

通过图2仿真曲线可以得出，m2频率在35.1GHz时两端口S(1，2)传输损耗为-3.27dB，m1输出带内两个端口S(3，2)的隔离度为-32.5dB。通过测试验证，仿真的结果能满足系统设计指标要求。

6.放大滤波电路模块

经过混频器后输出两路中频信号。由于环境的不同，两路信号输出有车辆信号和杂波信号，并且车辆车型不同，反射的信号幅度也不同，需要经过中频放大滤波电路对信号进行放大滤波。采用集成运放的方法进行电路设计，放大器采用带宽2MHz的TL082集成运算放大器，具有功耗低、精度高、噪声低的特点。该设计电路放大中频信号范围1～13kHz，如图3所示。采用电阻电容组成反向放大器，设计IQ两路信号放大倍数相同，增益在29dB。放大滤波响应仿真曲线如图4所示，仿真结果达到预期设计目标，可以满足交通测速的要求。

图3 放大滤波电路

图4 放大滤波响应仿真图

7.信号处理模块

将采集中频放大后的信号通过A/D电路，然后将转换的数字信号送到ARM进行频谱分析，提取目标物体的速度和方向，芯片采用NXP公司的MK60N512芯片,通过频率换算和算法进行速度的计算。

三、结语

交通雷达采用Ka波段具有多普勒频移大、分辨率高、不容易干扰、捕获车辆测速准确的优点。设计的系统通过后端数据处理可以实时测量超速车辆；采用微带收发天线，振荡器经过倍频产生的发射频率，设计方案不仅减小了产品的体积，还有效降低了高频段雷达的成本。雷达测速系统可以降低交通事故发生率,为交通管理提供准确、可靠、实时的交通信息，保障交通管理系统的正常运行。