Ka波段FMCW雷达的实现

侯伟 苗俊刚

（北京航空航天大学，电子信息工程学院，北京，100191）

摘要：调频连续波（FMCW）雷达具有优良的距离分辨率和测距精度，在高精度近距离测距上比其他体制的雷达具有明显的优势。随着微波集成电路技术快速的发展，使FMCW雷达的实现变得容易，因此有关FMCW雷达研究工作成为热点。FMCW雷达主要应用在导弹制导、成像、导航、侦查等军用和民用领域。本文提出一种适用于近距离测距FMCW雷达的设计方案，并通过仿真验证可对小目标进行探测。

关键词：调频连续波；PLL；超外差

The realization of FMCW radar on Ka band

Hou Wei，Miao Jungang

（Electronic information Engineering college，BUAA，Beijing，100191，China ）

Abstract： The frequency modulated continuous wave（FMCW）the radar has the fine distance resolution and the range finder precision，has the obvious superiority on the high accuracy short distance range finder compared to other system's radar.Along with the integrated microwave circuit technology fast development，causes the FMCW radar to realize becomes easy，therefore the related FMCW radar research work becomes the hot spot.FMCW radar main application in missile guidance，image formation，guidance，detection and so on military and civil domain.This article proposed that one kind is suitable for the short distance range finder FMCW radar's design proposal，and may carry on the survey through the simulation confirmation to the small goal.

Key words： The frequency modulated continuous wave，PLL，Super-heterodyne

1 引言

调频连续波雷达容易产生大带宽信号，可实现极高的距离分辨率。FMCW雷达接收机本质上是窄带滤波器结构，与相同信号带宽和距离分辨力的脉冲雷达相比，FMCW雷达的等效噪声带宽要低很多，因此FMCW雷达的灵敏度极高，可探测小目标。FMCW雷达信号占空比接近100%，低峰值功率即可满足脉冲雷达数千瓦峰值功率相应检测能力的要求。由于雷达处于寂静工作状态，使雷达具有很难被敌方侦察设备截获的性能，即低截获概率（LPI）性能。

考虑目前国内硬件工艺水平和雷达实现成本，本文提出了一种工作在Ka波段FMCW雷达的设计方案。为了降低雷达成本，不选择直接数字合成方式，而采用锁相环电路形式生成线性调频连续波。该FMCW雷达工作频率为36−36.5GHz，发射功率为13dBm，作用距离300m，能够探测出大小为10cm的目标。

文章第2部分介绍FMCW雷达的实现方案。第3部分是对雷达系统的整体仿真。

2 FMCW雷达设计

2.1 锯齿形调频连续波

对于锯齿形调频连续波的发射信号波形参数主要有调制带宽和重复脉冲时间。系统主要参数的选择：

（1）由于发射形式是LFMCW，波形调制方式是锯齿波，接收机的中频频率：

其中B为雷达信号带宽，c为传播速度，T为雷达发射的重复脉冲时间，R为传播距离。选择合适的中频频率主要是考虑信号处理部分实现的方便。本设计中，重复脉冲时间取1ms。如图1所示。

2.2 接收机参数

对于接收机参数主要有灵敏度、噪声系数和增益。系统主要参数的选择：

（1）根据雷达方程，目标的回波功率：

其中，σ为目标RCS，λ为波长，G为天线增益，L为传播损耗，R为传播距离，Pt为发射功率。G=32dBi，σ=0.01m2，L=1，R=30m～300m，P为10dBm，λ=0.0083m。故接收机t的灵敏度为−120dBm。

（2）接收机系统的级联噪声系数可以表示为：

由于G表示增益，故接收机的噪声系数主要取决于第一级的噪声系数，而接收机的第一级通常为LNA。本系统的噪声系数为3dB。

2.3 FMCW雷达前端设计

FMCW雷达的工作频率为36～36.5GHz，500MHz的带宽可实现较高距离分辨率。雷达尺寸要小和成本尽可能低是设计目的。该雷达能够探测出RCS=−20dBsm的目标，因此其灵敏度要高。雷达模块的框图如图2所示。其中，驱动电路产生9GHz的FMCW信号，经过4倍频模块耦合到发射天线。本设计的收发天线采用两个，满足隔离度要求，雷达接收采用一次变频。硬件电路采用集成电路，主要为：VCO、PLL、倍频器、LNA、混频器等，各模块放置在陶瓷基板上并使用微带线连接。VCO的输出频率为9～9.125GHz。

驱动电路由参考频率源给PLL锁相电路提供高精度参考频率，VCO与PLL组成反馈回路，VCO的2分频信号输入到PLL，使得PPL的输出到VCO的电压线性增加，从而VCO输出的频率也线性增加，即产生线性调频波。图中省略了环路滤波器。倍频电路中加入放大器和衰减器，其目的是一方面满足各模块对输入功率的要求，另一重要方面起到各模块间隔离的作用。另外，接收天线到LNA之间的馈线应该尽可能的短，减少噪声对系统性能的影响。为了达到较高的作用距离和分辨率，要求天线具有较强的方向性。单脉冲技术可以提高雷达的这些性能，采用方位角平面内测定目标的幅度比较单脉冲天线。

3 雷达整体仿真

雷达系统仿真通过软件ADS完成。

发射信号要满足要求的同时，其相位噪声应尽可能的小，仿真结果如图3所示。输出信号的相位噪声在1kHz处为−104dBc。接收机的增益仿真结果如图4所示。

雷达系统级仿真加入VCO相位噪声的影响，仿真模拟探测小目标，如图5所示。仿真结果显示雷达中频输出在500kHz的功率为−46.6dBm，通过FFT处理后并对幅度归一之后可明显看出雷达探测出目标的存在，结果如图6所示。

4 结束语

工作频率在36GHz的FMCW雷达系统设计和仿真验证。它能够在其作用范围内探测出RCS=−20dBsm的目标。今后的工作是雷达的生产和性能测试。

参考文献

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作者介绍

侯伟，男，1986生，籍贯：北京 主要研究方向：毫米波雷达 邮箱：power-heart@126.com

苗俊刚，男，1963 生，籍贯：北京 职务：主任 主要研究方向：微波遥感理论与技术、电磁散射与辐射测量技术、微波毫米波成像技术和微波天线技术研究 邮箱：jmiaobremen@tom.com