如何构建24GHz FMCW雷达系统

本文介绍了 24 GHz ISM 频段内调频连续波 （FMCW） 雷达的生成。这包括此类雷达系统所需的主要构建模块，例如斜坡生成、发射和接收级、下变频和采样。

介绍

雷达类型范围很广，但从最基本的意义上讲，它们是用于物体检测的传感器。各种类型的雷达在可以探测的物体以及可以从每个物体收集的信息量方面有不同的限制。没有一种雷达系统能够最适合所有应用。例如，一些复杂度较低的雷达，如连续波（CW）可能只探测单个物体的速度。这通常会导致一个相对简单的实施和较低的硬件和软件成本的系统。但是在其他情况下，了解对象的范围甚至其大小至关重要，因此需要一个更复杂的系统。FMCW雷达可以探测多个物体的范围和速度。FMCW 雷达在可用对象数据、复杂性和成本之间提供了很好的折衷方案。该技术在设计应用方面具有灵活性，因此这将是本文的重点。

ADI TinyRad雷达开发平台（框图如图1所示）将作为本文的主要示例和讨论点。TinyRad系统设计背后的推理及其实施将用于强调雷达系统设计过程中需要做出的一些考虑和妥协。

图1.EV-TINYRAD24G 框图。本文将详细解释这些块。

你想检测什么？

在决定工作频率或要使用的特定雷达拓扑之前，首先推断雷达应该能够检测到的物体的一些参数是有用的。

尺寸和材料

最大范围

最大速度

与其他物体的接近程度

所需的有关目标的信息量。是需要对目标有清晰的了解还是只是昙花一现？

物体的雷达横截面（RCS）是物体在雷达上显示的特征的度量。一个人的RCS大约等于1平方米。

雷达的工作范围可以通过公式1中给出的雷达方程来估计。除了目标的特性（RCS以σ表示）之外，决定雷达范围的主要方面是波长（λ），天线增益（G德克萨斯和 G接收），以及发射端的功率（P德克萨斯） 和接收 （P德克萨斯） 阶段。最大范围是当接收信号功率处于基于接收最小可检测信号 （MDS） 的系统可能的最低可能值时的情况。雷达方程可以扩展为包括各种其他影响和损失，例如大气吸收，尽管这里只显示了基本形式。

雷达的最大范围还与脉冲长度有关，因此也与模数转换器（ADC）采样频率有关。这被称为最大明确范围，与发射脉冲反射所需的时间和推断出有意义的雷达数据有关。

FMCW雷达可以检测到的最大速度与波长和扫描时间有关，如公式2所示。

以280 μs的调制周期为例，最大目标速度约为44 km/h。

来自这些斜坡的基带信号需要在处理之前进行采样，因此ADC采样速率和采样数（N）也将影响实际的最大速度。虽然可以减少样本数量以允许快速斜坡采样，但这会降低速度分辨率。

ADC和采样部分将讨论基带雷达信号采样的进一步考虑因素。

频率注意事项

更高的操作频率确实有几个好处。例如，较小的波长提供更好的距离检测和对象分类数据，较短的波长也意味着天线方向图将更小，这将导致整体系统尺寸更小。在某些情况下，天线可能内置在IC中，但我们将看到更高的频率并不总是更好。

对于FMCW雷达，扫描的带宽（即此处作为带宽给出的斜坡起始频率到停止频率）与距离分辨率直接相关。距离分辨率如公式4所示。距离分辨率是同一轴承中的两个目标需要分开的最小距离，才能推断为两个单独的目标。在选择雷达的工作频率时，所需的距离分辨率是最重要的考虑因素之一，因为如果不扫描更宽的频率范围，就不可能增加分辨率，由于频段限制，这并不总是可行的。

25 GHz是ISM频段，这意味着雷达可以作为商业产品销售的市场限制最小。每个区域都有一些差异，但一般来说，24 GHz ISM频段覆盖24 GHz至24.25 GHz。 使用公式4，这相当于24 GHz频段的距离分辨率约为60 cm。

77 GHz频段具有相对较宽的带宽分配，最高可达5 GHz。这提供了出色的范围分辨率，但应注意一些主要限制。77 GHz频段的主要缺点是它主要局限于汽车应用。存在某些区域相关的例外情况，例如工业油箱液位传感，但在大多数情况下，77 GHz雷达将仅限于汽车市场。另一个缺点是，根据所需的斜坡速率，在这些频率下扫描5 GHz的带宽对于标准模拟锁相环（PLL）和压控振荡器（VCO）拓扑来说，很难生成具有可接受的线性度的斜坡。结果是一个复杂（且昂贵）的雷达系统，仅从斜坡生成的角度来看。

在 77 GHz 频段工作的其他显着缺点是对仔细的 PCB 设计、制造和天线校准的需求增加。

与 77 GHz 频段一样，60 GHz 频段也具有宽带宽分配并具有许多优势，同时也是与 24 GHz 频段类似的 ISM 频段。话虽如此，由于氧气的电磁吸收特性，通过空气传播的 60 GHz 信号将遭受显着的衰减峰值。通常，60 GHz雷达的有效射程小于20 m。

角分辨率

雷达的角分辨率是接收天线孔径（D）和元件数量的直接函数。要找到目标的位置，至少需要两个接收通道。如果接收天线之间的距离已知，则反射信号到达一个通道与另一个通道相比时的延迟可用于对目标相对于雷达的位置进行三角测量。

大多数FMCW雷达只会在2D空间中显示目标。也就是说，它们不会检测到目标的高度。有一些先进的技术可以用来估计高度，例如通过单脉冲雷达。这要求传输的信号具有额外的编码，并且可以根据该编码数据计算目标的高度。这需要复杂的斜坡轮廓系统和先进的后处理算法。因此，本文将重点介绍用于在 2D 域中绘制目标的标准 FMCW 雷达拓扑。

斜坡生成

如“您要检测什么？部分，目标的速度将决定斜坡需要多快。

生成FMCW扫描的最直接方法是使用PLL和VCO作为频率合成器。某些型号的 PLL 具有内置的频率扫描器。它们使用内部定时器和时钟在内部自动递增PLL N计数器。增加N计数器将增加输出频率，从而形成斜坡曲线。可以定制确切的轮廓和时序以适应特定应用，例如，锯齿波与三角波，或添加斜坡延迟周期。

生成FMCW扫描的另一种方法是使用外部波发生器将波形施加到PLL电荷泵和VCO之间的电压调谐上。另一种选择是在固定频率设置中使用PLL，并使用数字直接频率合成器（DDS）作为其参考输入信号。DDS允许快速频率切换，因此可以扫描基准电压源以从PLL产生斜坡波形。

对于FMCW雷达应用，由于构成FMCW斜坡的快速跳频，PLL锁定时间非常重要。对于与单频段VCO配对的PLL，锁定时间的最大因素是环路滤波器的带宽。环路带宽越高，建立时间越短，但也会增加带内相位噪声。如果环路带宽太窄，则频率斜坡可能不是线性的，尤其是在下坡时。还可能存在过度的下冲，从而导致光谱发射/顺应性问题。对于快速扫描FMCW，PLL的环路滤波器带宽是有限制的。经验法则是它不应超过 10/PFD 频率。实际上，由于所需的电容尺寸很小，而且PCB级的寄生效应会破坏滤波器设计，因此很难实现2 MHz以上的环路滤波器带宽。如果要使用有源环路滤波器，另一个经验法则是运算放大器的增益带宽积（GBP）应至少比PFD频率大10倍。

图2.多个检测到的雷达目标的模拟图，以及斜坡带宽和相位噪声如何影响检测和区分每个目标的能力。

ADI公司的免费软件ADIsimPLL™可用于对包括斜坡发生器的ADI PLL进行频域性能分析和时域斜坡分析。有关教程，请参见视频“使用ADIsimPLL仿真ADF4158的频率斜坡”。

ADF4159 PLL在功能上包括斜坡生成功能，并包含在ADIsimPLL软件中，因此在本例中，它将作为斜坡发生器。其最大工作频率为13 GHz，因此应使用具有2分频输出连接到PLL输入的VCO来实现覆盖24 GHz ISM频段的斜坡。

发射（发射）级

为了通过为FMCW斜坡提供足够的增益来有效地传播发射的雷达信号并与天线接口，需要一个发射级。我们之前已经注意到，雷达的范围是传输信号强度的函数。

还需要VCO锁定到上一节中讨论的PLL。发射级可以分立构建，VCO的输出被分割到PLL反馈和PA级。集成选项是ADF5901 MMIC发送IC。它具有一个24 GHz至24.25 GHz的VCO，内置2分频输出，可与ADF4159 PLL配对。ADF5901的输出端还包括一个功率放大器（PA），可提供高达8 dBm的输出功率。这对于高达 100 m 左右的范围（对于 RCS = 1 m ）就足够了2).为了进一步扩展范围，可以使用额外的外部PA级。

ADF5901具有两个发射输出通道。对于正常操作，仅使用其中之一。两个发射通道可以交替用于高级多输入多输出 （MIMO） 操作（请参阅“其他功能”部分）。

接收到的雷达信号下变频也需要LO信号。该LO频率应与每时刻的发射信号频率完全相同。有关下变频的更多详细信息，请参阅接收阶段 （Rx） 和下变频部分。

接收级 （Rx） 和下变频

我们之前已经注意到，要对目标的角度位置进行三角测量，需要多个接收通道。我们还看到，雷达系统可以放置目标的角度偏移精度（角度分辨率）与其拥有的接收通道数量直接相关。对于我们提出的雷达的接收级，我们将考虑ADF5904接收MMIC。ADF5904具有四个接收通道，角度分辨率相对较低。增加通道数量的一种方法是使用多个接收IC。这可以通过确保它们都接收相同的LO信号以实现精确的下变频来实现。对于两个ADF5904 IC，考虑到ADF5901 LO输出功率和ADF5904的LO输入灵敏度，威尔金森分压器等无源分路器就足够了。为了进一步增加具有两个以上ADF5904 IC的接收通道，LO输出端需要一些PA形式的增益（例如HMC863ALC4）。

虽然更多的接收通道将导致更高性能的雷达，但这确实会增加数据负载，反过来又需要更多的处理能力。由于成像雷达中有许多接收通道，实时处理可能需要具有复杂固件例程的昂贵FPGA解决方案，而限制通道数量意味着可以使用相对低成本的DSP来执行处理和数据传输。因此，本例将使用一个具有四个接收通道的ADF5904，因为增加有效接收通道的另一种方法是利用MIMO操作，因为我们选择双通道发射配置。

来自目标的反射信号的信号功率是传输信号功率的一小部分;因此，LNA通常用于增益接收到的信号。低反射信号功率的另一个问题是，噪声系数（NF）和接收级产生的输出噪声将决定最小可检测信号（MDS），并可能限制系统的最大范围。

NF较差时，根据所需的信噪比（SNR），可能无法检测到目标。传统的通信系统通常以3 dB的SNR为目标。对于雷达系统，这不是完全必需的，典型的最小SNR将在10 dB至15 dB区域。拟议的信噪比将取决于具体应用。例如，如果减少错过目标的可能性很重要，则需要较低的最小信噪比。相反，如果需要将错误目标的可能性降至最低，那么更高的最小SNR是更好的选择。ADF5904的噪声系数为10 dBm，对于1 MHz基带带宽和10 dB的SNR，MDS约为–94 dB。

对于FMCW雷达下变频，必须将接收到的信号与发射信号进行比较，或者在这种情况下，将其复制为LO信号。LO馈入混频器，接收信号下变频。FMCW雷达中常见的混频器拓扑是直接变频，也称为零差或零中频混频器。ADF5904集成了直接变频混频器。混音器的输出是非 IQ 真实数据。相位和目标速度是通过一系列快速傅里叶变换（FFT）分析得出的。

模数转换器和采样

在处理FMCW数据并推导出有用的目标信息之前，必须首先分别使用模拟前端（AFE）和ADC对下变频基带波形进行滤波和采样。除了通道数、动态范围、SNR、每个通道同时采样的能力以及鲁棒滤波选项等通常的ADC考虑因素之外，ADC的选择将取决于雷达是否需要利用快速FMCW斜坡来帮助检测许多快速移动的目标，或者慢速斜坡是否足以满足用例。

我们选择的ADF5904接收支持的解调带宽高达10 MHz，因此迄今为止所提出的雷达系统可以支持低速或高速FMCW斜坡。

低速斜坡将具有500 kHz范围内的低基带带宽，而高速FMCW斜坡需要高速信号链来支持带宽为10 MHz及以上的基带信号。

ADAR7251设计用于直接与ADF5904接口，因此由于其低噪声和动态范围，它是慢FMCW斜坡的不错选择。

对于需要检测快速移动目标的应用，AD8285是另一个可行的选择。与ADAR7251相比，它支持高达12 MHz的更宽输入带宽，并允许更快的采样速率，同时牺牲一些噪声性能、增益、滤波选项和分辨率。

快速FMCW斜坡增加的数据负载也可能需要FPGA来处理增加的数据，而速度较慢的斜坡意味着可以使用更低的功耗和更便宜的DSP来执行处理和数据传输。到目前为止，对于我们的示例雷达系统，我们一直致力于在性能与成本之间取得良好的平衡，我们将继续选择ADAR7251作为我们的ADC。

天线设计

天线设计是一个复杂的主题，超出了本文的范围。为了精确的角度定位，接收元件之间的距离不应大于0.5λ。对于此设计，每个发射和接收通道将使用相同的中心馈电贴片天线。发射通道之间的间隔应大于0.5λ，以使MIMO操作成为可能。下一节将讨论此技术，但必须校准和存储每个天线之间的距离，以允许虚拟阵列运行。

其他功能

MIMO 在本文中被提及过几次。这是一种可用于增加雷达接收通道的有效数量的技术，以提高角分辨率。

对于非MIMO操作，仅使用一个发射通道，当与四个接收通道配对时，角分辨率约为30°，天线布置如前所述。

在此雷达上下文的MIMO模式下，传输的信号通过一个发射通道（Tx1）发送，随后的雷达线性调频（或斜坡）发送到另一个发射通道（Tx2）。当发射信号从Tx2发送时，发射通道之间的分离会导致到达接收元件的角度偏移，而不是从Tx1发送。如果每个元件之间的间隔是已知的、存储的和校准的，那么这个偏移可以用来创建额外的虚拟天线元件。这意味着在MIMO模式下，雷达实际上有七个接收元件。四个是真实的物理元素，四个是偏移的虚拟元素，因为它们出现在 Tx2 上，中心元素是真实和虚拟元素各一个的重叠。在本例中使用MIMO操作时，角分辨率提高到20°以下。

图3.上图显示了物理天线位置和间隔，下图显示了在MIMO操作下这些位置和间隔的虚拟显示方式。

结论

我们已经介绍并讨论了一些用于构建FMCW雷达的系统级模块。工作频率针对24 GHz，因为它是一个ISM频段。使用低速FMCW斜坡来利用低速采样信号链和较低的数据速率，以便于实时数据分析。事实证明，与完全分立的解决方案相比，ADI 24 GHz芯片组具有良好的集成度和高性能，可以简化雷达设计。TinyRad平台是一个预制的评估平台，它集成了该芯片组，并包括立即开始评估雷达系统所需的软件，而无需从头开始开发所需的硬件。TinyRad性能和操作的详细规格可以在产品页面上的用户指南中找到。

图4.一个EV-TINYRAD24G信用卡大小的电路板，一个完整的FMCW雷达系统。上图显示了ADI公司24 GHz芯片组的顶部。下图显示了发射和接收中心馈电的贴片天线。

虽然TinyRad为许多应用提供了良好的性能，并且可能是初学者雷达设计师的最佳选择，但对于一些高要求场景来说可能是不够的，例如那些具有快速移动目标或超过200米范围（取决于目标大小）的场景。已经提出了TinyRad设计的潜在变体，可以针对更具体的用例定制设计。EV-RADAR-MMIC 是一款连接器评估板，缺乏 TinyRad 的大部分即插即用功能，但可以与外部 ADC、处理器以及发射和接收通道上的附加外部增益级连接，因此非常适合进一步定制。

审核编辑：郭婷