汽車防撞雷達系統(tǒng)功率放大器仿真設計

摘要：設計了用于汽車防撞雷達的功率放大器，為了消除在K波段的寄生效應的影響，設計了直流偏置、輸入輸出匹配網(wǎng)絡、耦合隔直和電源濾波的微帶網(wǎng)絡。通過ADS仿真，得到了噪聲系數(shù)為2．33，最大輸出功率為18．5 dBm，增益為8．5 dB的功率放大器。文中設計的功率放大器適用于FMCW雷達系統(tǒng)。
關鍵詞：雷達；K波段；寄生效應；增益

    隨著社會的進步，作為奢侈品的汽車消費品已經(jīng)開始在普通家庭普及，汽車的行車安全是越來越重要，因此，各國對交通安全越來越重視。據(jù)統(tǒng)計，世界上大多數(shù)交通事故是司機反映不及造成的，其中絕大部分是屬于汽車相撞追尾，為了提前避免這種反應不及的交通事故，為安全駕駛的輔助控制裝置汽車防撞雷達隨之產(chǎn)生。國際上對汽車防撞雷達的研究較早，其中K波段的汽車防撞雷達技術較為成熟，W波段也開始有大量的研究文獻發(fā)表。因為以上波段頻率較高，用集總參數(shù)來設計電路會產(chǎn)生很大的寄生效應，一般用分布參數(shù)來完成此類電路的設計，當然目前也出現(xiàn)了一些24GHz汽車雷達系統(tǒng)的MMIC模塊，但是其成本較高。在汽車倒車雷達系統(tǒng)中，功率放大器是一個很重要的部件，同樣它會引入大量的噪聲。在K波段，功率放大器的寄生效應變得非常大，像集總參數(shù)的寄生效應，引線的寄生效應，焊盤等。為降低企業(yè)的制造成本，提高開發(fā)的靈活性，文中用共面波導技術設計了工作在24 GHz汽車雷達系統(tǒng)的功率放大器模塊。

1 功率放大器的設計
    根據(jù)功率放大器的設計原理，首先選定功放管的工作點Q，定出其電源電壓，確定在設計頻段內(nèi)的穩(wěn)定性，然后做出輸入輸出匹配網(wǎng)絡如圖1所示。

1．1 電路設計
    功放管選用安華高(avagotech)公司的E-PHEMT類型的VMMK-1218，因為汽車提供的電源為5 V，所以此功放管的電源電壓選為5 V。VMMK-1218的靜態(tài)工作點選為VDS=2.5V，IDS=25mA。其中直流偏置通過電阻分壓得到，為了消除微波信號進入直流電路并加了電源濾波電路，用高頻厄流線圈阻斷微波信號。在輸入和輸出端加了匹配濾波網(wǎng)絡，并用隔直電容進行了直流的隔離，以防止影響前級和后級電路。

1．2 微波電路的設計
    汽車雷達的工作頻率為24 GHz，集總參數(shù)元件在此頻率下的寄生效應非常明顯，故需要利用分布參數(shù)元件來設計輸入輸出匹配網(wǎng)絡、電源濾波電路和輸入輸出的隔直電容。電路如圖3所示。其中電阻R1，R5，R6為偏置的分壓電阻。

2 仿真和測試結果
    圖4為放大器穩(wěn)定性仿真的波形圖，在24～24．25 GHz的范圍內(nèi)，穩(wěn)定因子全部大于1，說明在此頻段內(nèi)放大器是穩(wěn)定的。

    圖5為電路版圖圖3的S參數(shù)的仿真結果，在24～24．25 GH韻頻段內(nèi)，電路的正向傳輸系數(shù)達到了8 dB左右，輸入口的反射系數(shù)小于-13 dB，輸出口的反射系數(shù)小于-20 dB，而此時的反向傳輸系數(shù)最大也只有-17 dB。

    圖6是微帶功率放大器的輸入和輸出阻抗的smith圓圖，信號頻率從24～24．25 G的范圍內(nèi)輸入端和輸出端的阻抗變化，可以看到，S(2，2)基本已經(jīng)接近匹配，S(1，1)稍差，但是這對于輸入端的噪聲抑制有益。圖7為24 G微帶功率放大器的噪聲系數(shù)瀏試圖，可以看到，在頻率的低端和高端，無論是單邊帶還是雙邊帶的噪聲系數(shù)都很高，在24～24．25 G的范圍內(nèi)，NFdsb和NFssb都小于2．3。

    圖8所示為2，4 G功率放大器的增益壓縮曲線，可以得出此功率放大器的輸出1 dB壓縮點在18．5 dBm左右，輸入1 dB壓縮點在10．5 dBm左右，其增益為8 dB。

3 結論
    基于汽車倒車雷達的應用，設計了工作在24 G的功率放大器，為了減少在24 G的寄生效應，采用了微帶的設計方法。最終在漏源為2．5 V，漏極電流25mA偏置的情況下，得到了微帶功率放大器的電路，仿真測試表明，功放的輸入輸出匹配良好，功率增益達到了8 dB，最大輸出不失真功率可達18．5 dBm，噪聲系數(shù)低于2．3 dB。適合汽車倒車雷達系統(tǒng)的應用。