雷达基础知识：如何构建 24 GHz FMCW 雷达系统

概述

本文介绍 24 GHz ISM 频段内的调频连续波 (FMCW) 雷达信号生成。其中包括此类雷达系统所需的主要构建模块，例如斜坡生成、发射和接收阶段、下变频和采样。

介绍

雷达种类繁多，但从最基本的意义上讲，它们都是用于物体检测的传感器。不同类型的雷达在可检测的物体和从每个物体收集的信息量方面都有不同的限制。没有一种雷达系统能够适用于所有应用。例如，一些复杂度较低的雷达（例如连续波 (CW)）可能只能检测单个物体的速度。这通常会导致系统在硬件和软件方面相对容易实现且成本较低。但在某些场景中，了解物体的距离甚至大小至关重要，因此需要更复杂的系统。FMCW 雷达可以检测多个物体的距离和速度。FMCW 雷达在可用物体数据、复杂性和成本之间实现了良好的平衡。这项技术在应用设计方面具有灵活性，因此本文将重点介绍它。

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 系统设计背后的原因及其实施将用于强调雷达系统设计过程中需要考虑的一些事项和做出的一些妥协。

您想检测什么？

在决定工作频率或具体的雷达拓扑结构之前，首先推导出雷达能够探测到的物体的一些参数是有帮助的。

• 尺寸和材质
• 最大探测距离
• 最大速度
• 与其他物体的距离
• 所需的目标信息量。是需要清晰的目标图像还是仅仅是一个光点？

物体的雷达截面 (RCS) 是衡量物体在雷达上呈现特征的指标。人体的 RCS 大约等于 1 平方米。

雷达的作用距离可以通过公式1中的雷达方程估算。除了目标特性（RCS 为 σ）外，决定雷达作用距离的主要因素包括波长 (λ)、天线增益（GTx 和 GRx）以及发射 (PTx) 和接收 (PTx) 阶段的功率。当接收信号功率达到系统基于接收最小可检测信号 (MDS) 所能达到的最低值时，作用距离最大。雷达方程可以扩展，以涵盖各种其他效应和损耗，例如大气吸收，但此处仅显示了其基本形式。

雷达的最大探测距离也与脉冲长度以及模数转换器 (ADC) 的采样频率有关。这被称为最大无模糊距离，与发射脉冲反射并推断出有意义的雷达数据所需的时间有关。

FMCW 雷达能够探测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。

这些斜坡信号产生的基带信号需要在处理之前进行采样，因此 ADC 采样率和采样数 (N) 在实际应用中也会影响最大速度。虽然可以减少采样数以对快速斜坡信号进行采样，但这会降低速度分辨率。

ADC 和采样部分将讨论对基带雷达信号采样的进一步考虑。

频率考虑

更高的工作频率确实带来了诸多好处。例如，更短的波长可以提供更佳的距离检测和物体分类数据，更短的波长也意味着天线方向图更小，从而缩小整个系统的体积。在某些情况下，天线可以内置于集成电路中，但我们会发现，更高的频率并不总是更好。

对于FMCW雷达，扫描带宽（即斜坡起始频率到终止频率，此处以带宽表示）与距离分辨率直接相关。距离分辨率如公式4所示。距离分辨率是指两个处于同一方位的目标被推断为两个独立目标所需的最小距离。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，就无法提高距离分辨率，但由于频段限制，这并不总是可行的。

25 GHz是ISM频段，这意味着雷达作为商业产品销售的市场限制极少。每个地区略有差异，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 厘米。

77 GHz 频段拥有相对较宽的带宽分配，最高可达 5 GHz。这提供了卓越的距离分辨率，但也存在一些需要注意的主要限制。77 GHz 频段的主要缺点是它主要局限于汽车应用。虽然存在某些特定地区的例外情况，例如工业油箱液位传感，但 77 GHz 雷达在大多数情况下仅限于汽车市场。另一个缺点是，在这些频率下扫描 5 GHz 带宽（取决于所需的斜坡速率），对于标准模拟锁相环 (PLL) 和压控振荡器 (VCO) 拓扑结构而言，生成具有可接受线性度的斜坡是一项挑战。仅从斜坡生成的角度来看，这会导致雷达系统复杂（且昂贵）。

在 77 GHz 频段运行的其他显著缺点是，对精细的 PCB 设计、制造和天线校准的需求增加。

60 GHz 频段与 77 GHz 频段一样，也拥有宽带宽分配和诸多优势，同时又与 24 GHz 频段一样属于 ISM 频段。然而，由于氧气的电磁吸收特性，60 GHz 信号在空气中传播时会显著衰减。60 GHz 雷达的有效探测范围通常小于 20 米。

角度分辨率

雷达的角分辨率与接收天线孔径 (D) 和阵元数量直接相关。要确定目标位置，至少需要两个接收通道。如果已知接收天线之间的距离，则可以利用反射信号到达一个通道相对于另一个通道的延迟，对目标相对于雷达的位置进行三角测量。

大多数 FMCW 雷达只能在二维空间中显示目标。也就是说，它们无法探测目标的高度。有一些先进的技术可以用来估算高度，例如单脉冲雷达。这需要对发射信号进行额外的编码，并根据编码数据计算目标的高度。这需要复杂的斜坡剖面系统和先进的后处理算法。因此，本文将重点介绍用于在二维空间中绘制目标的标准 FMCW 雷达拓扑结构。

斜坡生成

正如“您想检测什么？”部分所述，目标的速度将决定斜坡所需的速度。

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 内置了扫频器。它们使用内部定时器和时钟自动递增 PLL 的 N 计数器。增加 N 计数器将增加输出频率，从而产生斜坡波形。具体的波形和时序可以根据具体应用进行定制，例如，锯齿波与三角波，或增加斜坡延迟周期。

生成 FMCW 扫描的另一种方法是使用外部波形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，因此可以扫描参考信号以从 PLL 创建斜坡波形。

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。较高的环路带宽可提供快速的建立时间，但也会增加带内相位噪声。如果环路带宽太窄，频率斜坡可能不是线性的 – 特别是在下降斜坡中。还可能存在过多的下冲，这会导致频谱发射/合规性问题。对于快速扫描 FMCW，PLL 的环路滤波器带宽有一个限制。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较小以及 PCB 级存在的寄生效应会干扰滤波器设计，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。

ADI 公司的免费软件 ADIsimPLL™ 可用于对包含斜坡发生器的 ADI PLL 进行频域性能分析和时域斜坡分析。观看视频“使用 ADIsimPLL 模拟 ADF4158 上的频率斜坡”获取教程。

ADF4159 PLL 包含斜坡生成功能，并包含在 ADIsimPLL 软件中，因此本例中将以此作为斜坡发生器。其最大工作频率为 13 GHz，因此应使用连接到 PLL 输入端的二分频输出 VCO 来实现覆盖 24 GHz ISM 频段的斜坡。

发射（Tx）阶段

为了通过为 FMCW 斜坡提供足够的增益来高效地传播雷达发射信号并与天线接口，需要一个发射级。我们之前提到，雷达的探测范围取决于发射信号强度。

还需要一个压控振荡器 (VCO) 来锁定上一节中讨论的锁相环 (PLL)。发射级可以分立构建，VCO 的输出分别提供给锁相环反馈和功率放大器 (PA) 级。集成选项是 ADF5901 MMIC 发射 IC。它具有 24 GHz 至 24.25 GHz 的 VCO，内置二分频输出，可与 ADF4159 PLL 配对使用。ADF5901 的输出端还集成了一个功率放大器 (PA)，可提供高达 8 dBm 的输出功率。这足以满足高达约 100 米（RCS = 1 m²）的探测范围。为了进一步扩展探测范围，可以使用额外的外部功率放大器 (PA)。

ADF5901 有两个发射输出通道。正常工作时，仅使用其中一个。两个发射通道可以交替使用，以实现先进的多输入多输出 (MIMO) 操作（参见“其他特性”部分）。

接收雷达信号的下变频也需要一个本振信号 (LO)。该本振频率应与发射信号的频率始终保持一致。有关下变频的更多详细信息，请参阅“接收级 (Rx) 和下变频”部分。

接收级 (Rx) 和下变频

我们之前提到，要对目标的角位置进行三角测量，需要多个接收通道。我们还发现，雷达系统的目标角偏移精度（角分辨率）与其接收通道数量直接相关。对于我们拟建雷达的接收级，我们将考虑使用 ADF5904 接收 MMIC。ADF5904 拥有四个接收通道，其角分辨率相对较低。增加通道数量的一种方法是使用多个接收 IC。这可以通过确保所有 IC 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 的可用输出功率和 ADF5904 的 LO 输入灵敏度，使用威尔金森分压器等无源分路器就足够了。如果使用两个以上的 ADF5904 IC 进一步增加接收通道数，则需要在 LO 输出端以功率放大器（例如 HMC863ALC4）的形式提供一些增益。

虽然接收通道数量越多，雷达性能就越高，但这也意味着数据负载也会增加，进而需要更高的处理能力。成像雷达拥有众多接收通道，实时处理可能需要昂贵的 FPGA 解决方案和复杂的固件程序，而限制通道数量则意味着可以使用成本相对较低的 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，因为考虑到我们选择的是双通道发射配置，另一种增加有效接收通道数的方法是利用 MIMO 操作。

目标反射信号的信号功率仅占发射信号功率的一小部分；因此，通常使用低噪声放大器 (LNA) 来增强接收信号的增益。低反射信号功率的另一个问题是，噪声系数 (NF) 及其产生的接收级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探测范围。

如果 NF 较差，则可能无法检测到目标，具体取决于所需的信噪比 (SNR)。传统通信系统的目标信噪比通常为 3 dB。对于雷达系统来说，这并不是必需的，典型的最小信噪比在 10 dB 到 15 dB 之间。建议的信噪比取决于具体应用。例如，如果降低漏检目标的可能性很重要，则需要较低的最小信噪比。如果需要最大限度地降低误检目标的可能性，则更高的最小信噪比是更好的选择。ADF5904 的噪声系数为 10 dBm，在 1 MHz 基带带宽和 10 dB 信噪比下，其 MDS 约为 -94 dB。

对于 FMCW 雷达下变频，必须将接收信号与发射信号（在本例中是其复制信号，即本振信号）进行比较。本振信号被馈入混频器，接收信号被下变频。FMCW 雷达中常见的混频器拓扑是直接变频，也称为零差混频器或零中频混频器。 ADF5904 集成一个直接变频混频器。混频器的输出为非 IQ 实数数据。通过一系列快速傅里叶变换 (FFT) 分析，可以推导出相位以及目标速度。（有关 TinyRad 所用数据格式的信息，请参阅文章“24 GHz Demorad 雷达解决方案为新兴工业大众市场提供新型非接触式传感器”。）

ADC 和采样

在处理 FMCW 数据并推断出有用的目标信息之前，必须先使用模拟前端 (AFE) 和 ADC 对下变频基带波形进行滤波和采样。除了常见的 ADC 考虑因素（例如通道数量、动态范围、信噪比、各通道同步采样能力以及强大的滤波选项）外，ADC 的选择还取决于雷达是否需要利用快速 FMCW 斜坡信号来辅助检测多个快速移动目标，或者慢速斜坡信号是否足以满足实际使用情况。

我们选择的 ADF5904 接收器支持高达 10 MHz 的解调带宽，因此目前为止，拟议的雷达系统可以支持低速或高速 FMCW 斜坡信号。

低速斜坡信号的基带带宽较低，在 500 kHz 范围内，而高速 FMCW 斜坡信号则需要高速信号链来支持带宽 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，它非常适合慢速 FMCW 斜坡信号。

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 的更宽输入带宽和更快的采样率，但会牺牲一些噪声性能、增益、滤波选项和分辨率。

快速 FMCW 斜坡信号的数据负载增加，可能需要 FPGA 来处理增加的数据，而较慢的速度斜坡信号意味着可以使用功耗更低、成本更低的 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和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话题，超出了本文的讨论范围。为了实现精确的角度定位，接收元件之间的间距不应大于0.5λ。在本设计中，发射和接收通道将使用相同的中心馈电贴片天线。发射通道之间的间距应大于0.5λ，以实现MIMO操作。下一节将讨论这项技术，但必须校准并存储每个天线之间的距离，才能使虚拟阵列正常工作。

其他功能

本文多次提及 MIMO。MIMO 是一种可用于增加雷达有效接收通道数量，从而提高角度分辨率的技术。

非 MIMO 模式下，仅使用一个发射通道，当与四个接收通道配对时，采用前面讨论的天线布置，角度分辨率约为 30°。

就该雷达而言，在 MIMO 模式下，发射信号通过一个发射通道 (Tx1) 发送，随后的雷达啁啾（或斜坡）信号发送到另一个发射通道 (Tx2)。发射通道之间的间隔会导致 Tx2 发送的信号与 Tx1 发送的信号相比，到达接收单元的角度出现偏移。如果已知、存储并校准了每个单元之间的间隔，则可以利用该偏移来创建额外的虚拟天线单元。这意味着在 MIMO 模式下，该雷达实际上有七个接收单元。其中四个是真实的物理单元，四个是 Tx2 所看到的偏移虚拟单元，中间单元是真实单元和虚拟单元各一个的重叠部分。当本例中使用 MIMO 操作时，角度分辨率提高到 20° 以下。

结论

我们介绍并讨论了构建FMCW雷达所需的一些系统级模块。由于24 GHz属于ISM频段，因此目标工作频率为24 GHz。为了充分利用低速采样信号链和较低数据速率，我们采用了低速FMCW斜坡，以便于实时数据分析。ADI 24 GHz芯片组已被证明具有良好的集成度和高性能，与完全分立式解决方案相比，可以简化雷达设计。TinyRad平台是一个预制评估平台，集成了该芯片组以及必要的软件，可立即开始评估雷达系统，无需从头开发所需硬件。TinyRad性能和操作的详细规格可在产品页面上的用户指南中找到。

虽然 TinyRad 在许多应用中性能出色，可能是雷达设计新手的最佳选择，但它可能不足以应对某些高要求场景，例如快速移动目标或 200 米以上范围（取决于目标尺寸）。有人提出了 TinyRad 设计的潜在变体，以便针对更具体的用例进行定制设计。EV-RADAR-MMIC 是一款带连接器的评估板，它不具备 TinyRad 的大部分即插即用功能，但由于它可以与外部 ADC、处理器以及发射和接收通道上的其他外部增益级连接，因此非常适合进一步定制。