专利汇可以提供一种77GHz毫米波射频器件及其使用方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种77GHz毫米波射频器件及其使用方法,属于毫米波雷达技术领域,77GHz毫米波射频器件包括数字 信号 处理器、直接数字式 频率 合成器、上 变频器 、功率 放大器 、 缓冲器 、发射天线、接收天线、 低噪声放大器 、接收端的 混频器 、 可变增益放大器 、解调 模数转换 器 。优点在于,可以广泛的应用于毫米波测距测速雷达系统中,采用77GHz作为毫米波雷达工作频带并结合以LTCC为衬底制造微带贴片天线作为天线单元的 相控阵 天线技术;采用直接数字式频率合成器并结合上变频技术生成线性调频连续波;采用多个发射机单元并结合相控阵天线技术实现毫米波波束的 水 平扫描。,下面是一种77GHz毫米波射频器件及其使用方法专利的具体信息内容。
1.一种77GHz毫米波射频器件,其特征在于,包括数字信号处理器、直接数字式频率合成器、上变频器、功率放大器、缓冲器、发射天线、接收天线、低噪声放大器、接收端的混频器、可变增益放大器、模数转换器;
数字信号处理器通过I2C通信接口连接直接数字式频率合成器,直接数字式频率合成器通过射频信号线连接上变频器,上变频器通过射频信号线连接功率放大器和缓冲器,功率放大器通过射频信号线连接发射天线,发射天线发射的射频信号通过障碍物反射的回波信号输入到接收天线,接收天线通过射频信号线连接低噪声放大器,缓冲器和低噪声放大器通过射频信号线连接到接收端的混频器,接收端的混频器通过射频信号线连接可变增益放大器,可变增益放大器通过射频信号线连接模数转换器,模数转换器通过高速数字并行接口线连接数字信号处理器;
数字信号处理器是本器件的中央处理单元,功能为:
控制直接数字式频率合成器的参数初始化和启动/停止;
模数转换器输出的数字信号,提取信号中的频率信息,通过公式转换输出目标的距离和相对速度信息;
直接数字式频率合成器产生三角波线性调频连续波LFMCW信号,作为调制信号的三角波,其表达式为
公式1
式中,fo为调制信号中心频率,B为调频带宽,调制信号斜率为
其中T为调制周期;
上变频器通过多级上变频电路,将中频信号fo(t)上变频到77GHz毫米波频段的毫米波信号fH(t),中频信号fo(t)通过混频器和毫米波本振信号fH进行混频,混频信号通过毫米波频带的射频带通滤波器后,提取高频信号;通过多级上变频电路后,中频信号fo(t)被调制到77GHz毫米波频带;
功率放大器采用砷化镓毫米波放大器将77GHz毫米波信号fH(t)放大到10dBm(10mW)的信号;输出到发射端的微带贴片阵列天线;
缓冲器用于将77GHz毫米波信号fH(t)连接到接收端的混频器,作为接收端混频器的本振信号,用于解调接收到的反射信号中的中频信息;
低噪声放大器用于放大来自接收天线的目标反射的回波信号;
接收端的混频器用于将回波信号和发射信号的一部分进行相干混频,混频信号通过低通滤波器后,得到包含目标的距离和速度信息的中频信号fL(t);
可变增益放大器根据数字信号处理器的反馈动态调整接收端混频器输出的中频信号fL(t)的信号强度,以适用于模数转换器的输入动态范围;
模数转换器将中频信号fL(t)转换成数字信号,以便于数字信号处理器对数字中频信号进行检测,得到目标的距离和相对速度。
2.根据权利要求1所述的77GHz毫米波射频器件,其特征在于,发射天线和接收天线各采用线性天线阵列;发射天线采用4个天线单元,每个天线单元为2X2以LTCC为衬底制造微带贴片天线,经过HFSS仿真验证每个天线单元增益可以达到10dBi,而在主瓣30度偏移角的方向有6.95dBi的增益;采用HFSS仿真一个4X1的相控阵列,得到主瓣30度偏移角方向上的主瓣宽度为6度。
3.一种权利要求1所述77GHz毫米波射频器件的使用方法,其特征在于,以三角波为调制信号,通过直接数字式频率合成器产生中频线性调频连续波LFMCW,并通过上变频器将中频信号fo(t)上变频到77GHz毫米波频段的毫米波信号fH(t),通过功率放大器和发射天线将20dBm左右的77GHz毫米波信号fH(t)发射到探测方向;
发射信号碰到目标物体后被反射回来,产生回波信号;接收天线接收到的回波信号通过射频低噪声放大器的放大后,回波信号fR(t)的幅度得到适度调整;
回波信号和发射信号形状相同,在时间上延迟了τ,在频率上相差由于目标的相对运动引起的多普勒频移fd;τ的表达式如公式2,其中R为目标物体的距离,c为光速;
公式2
回波信号fR(t)和发射信号fH(t)的一部分通过混频器进行混频;发射信号fH(t)与回波信号fR(t)的频率差的绝对差值,即为混频输出的中频信号频率fb+/fb-,在三角波的上升沿和下降沿中频信号的频率可分别如公式3和公式4所示,
fb+=fm-fd 公式3
fb-=fm+fd 公式4
公式3和公式4中fm为目标物体相对静止时中频信号的频率,fd为多普勒频移;fm可以由公式5得到,fd可以由公式6得到;
公式5
公式6
公式5中B为调频带宽,T为调制周期,R为目标物体的距离,c为光速;公式6中fH为发射信号的中心频率,v为目标的相对运动速度,v的符号由目标相对运动的方向决定,通常规定目标靠近雷达系统时为正值,反之为负值,c为光速;
联立以上公式,可求得目标的距离R和相对速度v表达式如下,
公式7
公式8
以上两式是在目标处于相对运动状态下推导出来的,对于相对静止的目标同样适用;
因此,在实际应用中,不管目标是处于相对运动还是相对静止,只要分别求出调制三角波在上升沿和下降沿的中频信号的频率fb+/fb-,利用以上公式7和公式8来计算目标的距离R和相对速度v信息;
为了解调中频信号的频率信息fb+/fb-并实施公式7和公式8的运算以计算目标的距离R和相对速度v信息,需要利用可变增益放大器和模数转换器对中频信号进行采样,采样频率应大于两倍中频信号频率,fs>max(2fb+,2fb-),通常采用最大的中频信号频率的4倍,如公式9所示,
公式9
Rmax是设计最大探测距离;
数字信号处理器通过快速傅里叶变换得到在三角波上升沿和下降沿中频信号的频率信息fb+/fb-,通过公式7和公式8计算得到目标的距离R和相对速度v信息。
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