[发明专利]毫米波雷达一体化射频前端

说明书

技术领域

本发明是关于目标识别和检测、通讯、气象、遥感、射电天文等领域正在被大量开发应用的雷达技术领域中采用的毫米波天线和毫米波射频前端。

背景技术

毫米波具有独特的传播特性，穿透性强，在中心频率为35GHz和94GHz的窗口频段，可以用于通信、侦察和直升机防撞，在中心频率为60GHz的大气吸收频段，可以用于保密通信，汽车防撞，无线局域网等。毫米波雷达是工作在毫米波频段的雷达统称。毫米波雷达工作频段一般为30～300GHz(信号波长为1～10mm)。毫米波雷达的主要优点在于其较短的波长，且容易实现较窄的波束宽度，从而在目标监视方面有较高的角分辨力和低仰角跟踪能力；能够做到高增益天线的小型化，并具有较宽的频带便于实现高距离分辨特性。但毫米波的不足之处是大气中传播衰减严重，毫米波波束窄对搜索目标不利，对于树木植被的渗透度不高，多普勒频率高导致信号实时捕获较困难，器件加工精度要求高等。早期毫米波雷达主要应用于军事领域，随着雷达技术的发展与进步，毫米波雷达开始应用于汽车电子、无人机、智能交通等多个行业中。目前，市场主流的毫米波雷达传感器产品多集中在24GHz工作频段和77GHz工作频段。长期来看，车载毫米波雷达将会统一于77GHz频段(76-81GHz)，该频段带宽更大、功率水平更高、探测距离更远；相比于24GHz，物体分辨准确度提高2-4倍，测速和测距精确度提高3-5倍，能检测行人和自行车；且设备体积更小，更便于在车辆上安装和部署。未来79GHz频段(77-81GHz)中短距离毫米波雷达会成为中距离MRR的主流，且有望全面替代24GHz短距离雷达。

毫米波雷达主要是通过天线向外发射毫米波，接收目标反射信号，经后方处理后快速准确地获取目标周围的物理环境信息，如汽车与其他物体之间的相对距离、相对速度、角度、运动方向等，然后根据所探知的物体信息进行目标追踪和识别分类，进而结合目标动态信息进行数据融合，最终通过中央处理单元(ECU)进行智能处理，经合理决策后，以声、光及触觉等多种方式告知或警告，或及时对目标做出主动干预。在毫米波收发系统中通常需要将低频脉冲调制线性扫频信号上变频到毫米波，或将毫米波回波信号下变频到低中频以便容易实现基带信号的处理。

毫米波雷达与其它频段雷达的组成类似，包括毫米波天线、毫米波射频前端、信号处理机、目标显示等部分。为确保雷达整机系统中各组成部分正常工作的电磁兼容性，通常雷达采用各组成部分独立研制的集成方式，也就是天线、射频前端、信号处理机以及目标显示等部分，在结构组成、电气性能划分上是彼此分开的，从而导致雷达系统的体积大、设备重量重。毫米波雷达用于对目标的探测功能，主要是实现对探测目标的测距、测速和测角。测距和测速是测量探测目标相对于雷达的径向距离和径向速度，采用单发单收天线即可实现，而测角是测量探测目标相对于雷达的方位角和俯仰角，对于天线配置了伺服机构的雷达系统，利用天线伺服机构便可获得测角信息，针对小型化、低成本雷达系统，天线无法配置伺服机构，且要具备探测目标的测角功能，则雷达至少须采用两个或以上的接收天线，利用多个天线接收信号彼此之间的相位关系来实现测角功能。雷达天线形式有多种，如微带贴片天线、波导天线等，不同天线形式，其性能效果是不同的，波导天线馈电损耗小、口径增益高，局限性是体积大、重量重；微带天线具有低轮廓优点，但损耗大，口径增益较低，成本较高。对于连续波体制雷达系统，一般是将发射天线和接收天线采用分开设计方式。调频连续波体制下的毫米波天线系统,将接收天线与发射天线分开,通过金属腔进行隔离。通常，发射天线和接收天线的设计间距由天线的方向图、发射功率以及接收灵敏度相关，距离过小会增加天线之间的信号耦合，影响信号接收性能。用于实现毫米波信号的上/下变频、滤波及放大作用的毫米波射频前端，用于实现射频信号的发射功能的毫米波发射天线和用于实现目标回波信号的接收功能接收天线是毫米波雷达系统的关键部件，减小整个雷达前端体积的关键就在于天线的设计尺寸。

随着毫米波雷达在民用领域的广泛应用，小型化、低成本和高性能的毫米波雷达系统应用需求越来越迫切，一般要求雷达系统具备测距、测速及测角功能，这种应用主要针对几百米距离内的较近目标，雷达需采用至少两个以上的接收天线才能实现测角能力，雷达采用的接收天线越多，其设备体积将越大，实现也越困难，如何兼顾毫米波雷达的测距、测速和测角功能，以及满足小型化和低成本设计研制，是目前小型化毫米波雷达系统的设计难点，因此，毫米波雷达射频前端的一体化设计是迫切需要解决的技术问题。

发明内容