提高雷達系統(tǒng)的動態(tài)性能

如果我們正在設(shè)計汽車雷達，甚至是商業(yè)或軍用雷達系統(tǒng)，我們都會受到物理學的約束。我想改變這一點，但我在大學里的許多老教授都說“有些規(guī)則可以改變，有些自然法則是不可動搖的”。無線電傳輸中的路徑損耗就是其中之一。因此，如果我們想讓雷達看得更遠，就需要提高系統(tǒng)的動態(tài)范圍。

我們將從基礎(chǔ)開始，以了解為什么動態(tài)范圍是一個問題以及在哪里改進它——雷達方程。這定義了雷達可以根據(jù)各種系統(tǒng)和大氣條件看到的距離。完整的(哎呀!)方程式如下所示(我又做了那個數(shù)學噩夢!)。

但是要查看對系統(tǒng)的影響，我們將把它剝離到基礎(chǔ)知識……經(jīng)典的雷達方程。

第一個問題很明顯……范圍是包括天線增益和目標橫截面在內(nèi)的發(fā)射功率 (P S ) 與接收機可檢測到的最小功率 (P E[MIN] ) 之比的函數(shù)。該函數(shù)是四次方根，因此假設(shè)固定的發(fā)射功率和目標尺寸，同時固定天線增益和其他常數(shù)，等式簡化為如下所示。

現(xiàn)在我們看到了提高接收機動態(tài)范圍和靈敏度的效果。將接收器的噪聲功率本底提高 10 分貝(電壓噪聲為 20 分貝)理論上可將雷達的探測范圍提高 77% 以上。

要解決此問題，請考慮將返回信號數(shù)字化的系統(tǒng)(而非數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器)的 ENOB 或有效位數(shù)。有幾個因素會影響本底噪聲，例如時鐘抖動(一種影響 SINAD 的噪聲形式)、量化噪聲(轉(zhuǎn)換器分辨率的“位”)和放大器鏈的輸入?yún)⒖荚肼暋?

讓我們從數(shù)字化儀開始。對于大多數(shù)現(xiàn)代雷達系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器之前有一個下變頻階段，通常用于在第二奈奎斯特區(qū)進行數(shù)字化。ADS4449是一款250 Msps 14 位四通道 ADC，SFDR 為 87 db，SINAD 超過 70 db，因此 ENOB 為 11.5。這是許多汽車或氣象雷達應用的絕佳選擇。

為了將信號傳送到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，我們需要一個低噪聲混合級。一個值得考慮的良好本地振蕩器 (LO) 合成器是TRF3765，它具有 350 飛秒數(shù)量級的極低 RMS 抖動。

TRF3765是一款寬頻帶整數(shù)N/分數(shù)N頻率合成器， 此合成器具有集成的、寬頻帶壓控振蕩器(VCO)?？删幊梯敵龇謮浩骺蓪崿F(xiàn)300MHz至4.8GHz頻率范圍的連續(xù)覆蓋。4個單獨的差分、開集RF輸出可在無需外部分離器的情況下并行驅(qū)動多個器件。

TRF3765也接受外部VCO輸入信號，并且可通過一 個可編程控制輸出來實現(xiàn)開/關(guān)控制。為了實現(xiàn)最大靈活性和寬基準頻率范圍，設(shè)定寬范圍分壓比設(shè)置，并且 可使用一個芯片外環(huán)路濾波器。

為了以最大動態(tài)范圍驅(qū)動 ADC，可以使用高速、低噪聲差分放大器，它可以利用 ADC 的共模輸出將輸入信號準確地放置在 ADC 需要的位置。一個不錯的選擇可能是設(shè)計用于驅(qū)動現(xiàn)代數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的LMH6552 。

最后，但非常重要的是主時鐘，它通常由 FPGA 提供，用于獲取 ADC 的輸出。根據(jù)時鐘產(chǎn)生的距離或存在多少抖動，最好在將其發(fā)送到 ADC 之前對其進行清理。請記住，抖動是噪聲，直接影響轉(zhuǎn)換器的 ENOB，因此干凈的時鐘是絕對必要的。我建議從LMK048xx 系列中選擇一個設(shè)備，例如LMK04808。這些時鐘清除器還具有極低的抖動，可以恢復主時鐘以及分配干凈的時鐘信號。

所以你有它。如果我們想讓雷達看得更遠，我們可以使用更多發(fā)射功率、提高天線增益或簡單地在接收器鏈中使用噪聲較低的組件，從而提高雷達接收器的整體噪聲性能。