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汽车防撞毫米波FMCW雷达前端集成关键技术研究

盛怀茂  
【摘要】: 汽车防撞毫米波雷达系统为近年来毫米波在汽车方面应用的一个热点。毫米波系统在汽车上应用的关键是系统的稳定性好和体积小,所以毫米波雷达前端的集成化研究成为本论文的主题。本文的工作围绕汽车防撞FMCW毫米波雷达系统的研制展开,研究重点为雷达系统射频前端的集成。 本文首先对单端口负阻振荡器进行了分析,给出了Gunn二极管负阻振荡器的设计方法,设计出了一个变容管调谐平面微带Gunn二极管VCO芯片,该芯片以GaAs为衬底,尺寸为4.4mm×3.9mm。另外,对于Gunn二极管VCO电路,本文还提出了一种简便可行的散热方法。经过测试,得到振荡频率为28.8GHz,调频带宽20MHz,与期望结果相差较大。根据此实验结果,分析了实验偏差产生的原因。 MESFET较之Gunn二极管在VCO电路中有效率高、设计灵活性、便于集成等优点,所以本文着重介绍了变容管调谐微带结构MESFET VCO的研制工作。对双端口负阻振荡网络进行了理论分析,介绍了三种双端口负阻振荡网络的分析方法,在负阻振荡器参数优化问题上提出了微波晶体管负阻振荡网络输出阻抗的极值线模型,该模型把对反馈元件和谐振元件参数的二维搜索问题转化为一维搜索问题,所以使优化过程大大简化,缩短了电路设计时间。另外,还对反馈网络、谐振网络和输出匹配网络的设计进行了探讨。根据该设计理论,用HP ADS进行了14GHz MESFET VCO的设计与仿真,并对设计的电路进行了制作与测试。VCO电路采用串联反馈、共源极结构,除变容管和MESFET管芯另外焊接外,其余器件全部用微带实现。变容管采用南京电子器件研究所生产的WB62,MESFET采用Alpha公司的AFM04P2-000型Ka波段功率管管芯,电路基片为厚0.5mm、介电常数为2.65的聚四氟乙烯板。电路制作方便,易于修改,而且成本很低。设计出的电路尺寸为3.4cm×3.9cm。根据测试结果,该VCO电路的中心频率为14.14GHz,调频带宽大于100MHz,带内输出功率在2~6mW之间。根据实验结果研究了谐振回路结构对VCO调频带宽的影响。由于缺乏相关的测试设备,没有对VCO的相位噪声进行测试。 耗尽型MESFET的栅极正常工作时通常需要加负偏压,而漏源偏压应为正,所以耗尽型MESFET工作时需要两组电压源。一般为了防止加电的瞬间流经沟道的电流过大而烧毁器件要先加栅极负偏压,再加漏源正偏压,断电时次序应相反。 汽车防掖毫米波FMCW W达前端集成关键技术研究 根据这些要求,本文设计出了一个应用于MESFET电路的电源电路。该电路由十 12V电源供电,提供正负两组电压输出,输出电压幅度可调。用简单的延时电路 实现了合理的正负电源的加电和断电次序。实验表明,该电源电路工作稳定,完 全适用于MESFET电路。 对于压控振荡器在调频的同时也存在着寄生调幅,是不可避免的。较大的 VCO寄生调幅对雷达的作用距离有严重影响,对此,本文进行了分析,并提出了 一种在中频电路中用滤波电路进行抑制由寄生调幅带来的于扰信号的方法。针对 雷达应用,对该滤波电路进行了优化设计。实验结果表明,这种方法可以使雷达 的作用距离大大增加。 汽车防撞毫米波雷达的应用需要雷达的高稳定性、小型化和低成本,为此必 须对雷达前端进行集成。本文的工作围绕前端集成研究展开,最后给出了一个集 成方案。该方案采用双天线毫米波FMCW系统结构,首先通过功能级仿真确定各 功能子电路的指标要求,再通过器件级仿真确定各功能电路的结构和具体参数, 然后对各功能电路进行分别设计、制作和调试,调试完全通过后,用MCM技术把 各个模块进行二次集成。


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