基于MMIC技术的微波雷达设计

时翔，查志琴，邬佳伟

(常州工学院计算机信息工程学院，江苏 常州 213002)

单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)是在半导体衬底材料(如GaAs、InP等)上用一系列的半导体工艺方法制造出无源(Passive)和有源(Active)微波器件，采用平面技术将器件、传输线、互连线直接制作成半导体基片上的功能模块，并连接起来构成应用于微波频率300 MHz～300 GHz的一种集成功能电路。其电路包括低噪声放大器(LNA)、功率放大器(PA)、混频器、上变频器、检波器、调制器、压控振荡器(VCO)、移相器、开关以及整个发射/接收(T/R)组件(收发系统)等功能电路，广泛应用于通信、GPS、传感器、雷达等各类设备的射频电路中。［1］

微波雷达在近距离非军事领域的应用中，通常采用调频连续波(FMCW)工作体制，通过测量目标回波频率和幅度信息，实现对目标的检测和判断。因此，微波雷达目前已广泛应用于工业、气象、医疗、交通和传感网等诸多领域。［2-4］

本文基于MMIC技术进行35 GHz工作频率的多芯片集成和平面电路制作，设计、制作了FMCW微波雷达，并进行了系统联调与测试。

1 FMCW雷达工作原理

近程探测应用的微波雷达通常采取FMCW雷达体制，其原理框图如图1所示。［5-7］

图1 FMCW雷达原理框图

FMCW雷达通过压控振荡器产生连续波信号，经微带功分器分成两路，一路经发射天线向目标发射微波，另一路进入混频器，作为本振(LO)信号;接收天线接收目标散射回波，经LNA放大后，送入混频器，包含目标信息的射频(RF)信号与LO信号进行混频，输出包含观测场景中目标信息的中频(IF)回波信号。IF信号经必要的放大和信号处理后，进行目标识别与判断。

图1中，发射支路由35 GHz VCO、微带功分器、PA和发射天线组成。发射支路通过发射天线向外发射35 GHz微波信号Ut为:

式(1)中，Ut为发射微波载波信号的电压，Utm为发射微波载波信号电压的幅度值，ω0为发射微波载波信号的角频率，Δω为发射微波载波信号的角频偏，ΩM为发射微波载波的调制角频率。

接收支路由接收天线、LNA和混频器组成，接收支路通过接收天线接收到的目标散射回波信号Ur为:

式(2)中，Ur为接收微波载波信号的电压，Urm为接收微波载波信号电压的幅度值，τ为微波信号从雷达传播到目标往返的时间延迟。

式(2)中的目标散射回波信号被接收支路中的LNA放大后，经混频输出IF信号，IF信号经中频放大和处理后与式(1)中的信号幅度、相位、频率信息进行比较和运算，同时进行目标大小、距离、速度等特征的识别。

2 MMIC功能芯片选型

基于GaAs的35 GHz功能芯片已实现国产化，本设计采用中科院上海微系统与信息技术研究所的MMIC芯片，对FMCW微波雷达中的各功能芯片进行选型。

2.1 VCO芯片选型

VCO芯片选型参数如下:

工作频段:34.5 GHz±500 MHz

输出功率:13 dBm

相位噪声:-90 dBc/Hz@100 kHz

偏置:Vd=2.5 V，Id=30 mA，Vg=-0.35 V

调谐电压:-0.2～1.4 V

芯片尺寸:2 mm×1 mm×0.1 mm

芯片版图如图2所示。

图2 VCO芯片版图

2.2 LNA芯片选型

LNA芯片选型参数如下:

工作频段:26～40 GHz

噪声系数:＜3.0 dB

增益:＞14 dB

1 dB压缩点输出功率:＞15 dBm

输入驻波比:＜3

输出驻波比:＜2.5

偏置:Vd=4 V，Vg=-0.55 V，Ids=58 mA

芯片尺寸:1 mm×2 mm×0.1 mm

LNA芯片版图如图3所示。

2.3 混频器芯片选型

混频器芯片选型参数如下:

IF:0～2 GHz

RF:32～37 GHz

LO:本振

图3 LNA芯片版图

变频损耗:(7.5±0.8)dB@PLO=13 dBm，PRF=-10 dBm

芯片尺寸:2 mm×1 mm×0.1 mm

混频器芯片版图如图4所示。

图4 混频器芯片版图

在微波雷达射频收发前端的设计中，因探测距离较短，发射功率较低，因此发射支路功率放大功能采用低功率的 LNA芯片实现，其选型同LNA。功率分配器通过微带功分实现。

3 雷达系统设计与制作

在FMCW 雷达系统设计中，按照天线层、射频层和中频信号处理层进行分层设计与制作，不仅能够更好地适应现代工艺生产，保证性能的一致性，而且还具有良好的电磁兼容性，抗干扰能力较强。

3.1 平面天线设计与制作

选用Rogers5880型号的高频介质基板，通过HFSS软件，设计35 GHz微带天线，天线增益方向图如图5所示。制作出的天线实物如图6所示，收发天线分置、对称。

3.2 雷达层状结构设计与制作

图5 35 GHz微带天线增益方向图

图6 35 GHz微带收/发天线实物图

由于雷达工作频率为35 GHz，微小的发射功率和高灵敏度的低噪声放大器，都对系统的抗干扰能力提出较高的要求。系统采用层状结构设计，如图7所示，天线层和射频层由于工作频率高，均采用Rogers5880高频介质基板制作，二层之间的互连通过探针垂直通孔连接，并以空气腔体间隔开。射频层由VCO、LNA、混频器等芯片与微带传输线电路、微带功分器电路通过平面电路技术集成，芯片与微带之间通过金丝键合。中频信号处理层由于工作频率较低，采用较厚的FR4基板制作，FR4板与射频板之间以空气腔体间隔开，通过探针垂直通孔互连电路。

图7 雷达层状结构设计

4 雷达系统调试与测试

天线层、射频层与中频信号处理层通过垂直通孔探针互连，并安装在金属屏蔽盒内，制作完成的微波雷达的尺寸为2 cm×2 cm×5 cm，如图8所示。通过三脚架调节其探测水平角与俯仰角，直接通过示波器观察其中频输出信号。

图8 雷达系统调试实物图

通过输出的中频信号中携带的频率信息、幅度信息、脉宽信息等，对探测目标的距离、运动速度、目标大小等目标特性进行判别。图9为雷达中频输出信号的时域波形和频域波形，图9(a)中未滤除载波。

图9 雷达中频信号输出

5 结语

基于MMIC技术，本文进行了35 GHz频率多芯片的平面电路集成，采用了分层结构，使射频层与中频层分离，并用探针进行垂直通孔互连，其电磁兼容特性更好，提高了雷达的探测灵敏度。其良好的探测性能、微型的体积和现代MMIC技术的运用，为智慧城市建设中的智能交通、无线传感等领域提供了新的思路和技术。

［1］孙晓玮.毫米波集成电路及其应用［M］.北京:电子工业出版社，2012.

［2］孙闽红.微波雷达在实时道路交通信息采集系统中的应用研究与设计［D］.成都:成都理工大学，2005.

［3］蒋铁珍.数字雷达技术在车流量检测雷达中的应用［D］.上海:中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所)，2006.

［4］杜彬，曹云侠，范威，等.毫米波雷达道路监测系统的研究与设计［J］，计算机工程与设计，2010，31(14)，3290-3293.

［5］丁鹭飞，耿富录，陈建春.雷达原理［M］.北京:电子工业出版社，2009.

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