FMCW雷達硬體設計 - 相位一緻的開關

  FMCW雷達是一種非常流行的雷達，廣泛的應用于毫米波汽車雷達、物質檢測、安防等領域，在這些複雜的應用領域通常會使用MIMO（多輸入多輸出）結構，以獲得被測目标的角度資訊。那麼為了擷取準确的相位資訊，在硬體設計上，有哪些需要注意的事情呢？本文對此做簡要探讨。

目錄

• 方位角的擷取
• FMCW接收機的結構
• 影響 Δ ϕ \Delta \phi Δϕ的硬體因素
• • 解決辦法

方位角的擷取

圖1: 天線陣擷取波前的相位資訊 [1]

  假設右側的兩個接收天線接收到的電磁波的相位差為 Δ ϕ \Delta\phi Δϕ，通過波前到達兩天線之間的距離差可計算出：

Δ ϕ = ( 2 π / λ ) d s i n ( θ ) \Delta\phi=(2\pi/\lambda)dsin(\theta) Δϕ=(2π/λ)dsin(θ)

  其中 Δ ϕ \Delta\phi Δϕ是雷達系統通過測量相位差可以測得的，待求量為 θ \theta θ，由此可得：

θ = a r c s i n ( Δ ϕ λ / ( 2 π d ) ) \theta=arcsin(\Delta\phi \lambda/(2\pi d)) θ=arcsin(Δϕλ/(2πd))

  是以，隻要能精确的确定 Δ ϕ \Delta\phi Δϕ，就能獲得被測目标的相位角。

FMCW接收機的結構

圖2: FMCW雷達收發機結構 [1]

  如圖2所示，FMCW雷達接收機核心是将發射的掃頻信号和接收到的掃頻信号混頻，混頻後獲得其中頻信号，然後再進行處理，這個中頻信号的頻率和被測目标到天線的距離成正比。實物圖如圖3所示：

圖3：單通道FMCW雷達實物圖 [2]

  MIMO形式的FMCW雷達，可以使用多通道的結構也可使用時分結構，時分結構如圖4所示：

圖4：時分結構的MIMO FMCW雷達

  所謂時分，就是用一個單通道的接收機，加上開關來切換不同的天線進行發射和接收信号，這樣做的好處是成本較低。相對應的，如不使用開關，每個天線後面都是用一個接收通道的結構就是多通道結構，其好處是不需要切換天線，同時獲得各個天線的資料，缺點是增加了接收通道的數目，成本升高，根據項目的應用場景選擇即可。

影響 Δ ϕ \Delta \phi Δϕ的硬體因素

  從之前的分析中可知，為了計算 θ \theta θ，我們需要 Δ ϕ \Delta \phi Δϕ，而當情況從圖1變到圖4的時候，發射和接收天線都變成很多個，這時如果開關的每個端口的相位一緻性不好，那麼每兩個天線端口就會産生相位差，而且不同的端口産生的內插補點還不一樣，這樣就會帶來問題。而這個相位差是由硬體系統帶來的，并不是由于被物體的相位角帶來的，會影響我餓們擷取 Δ ϕ \Delta \phi Δϕ，也就會影響計算 θ \theta θ。

  這樣的系統，隻能通過校準來解決問題，但是如何做好校準算法是個很大的話題，很多非這方面專業的工程師很難很快上手。那麼這個各個端口的帶來的額外的相位差會帶來什麼樣的不良影響呢？在成像中就表現為圖像發虛，焦點不能聚合，如圖5所示，原本單一的目标，其圖像在x軸上展開了，“散花”了。

圖5：由開關各端口相位不一緻導緻的圖像不聚焦

解決辦法

1. 就是上面所說的校準，通過對每一個通達校準，可以在軟體上添加校準算法，将這些額外的相位差校準掉。

2. 使用各端口延時一直（相位一緻）的射頻開關。

   圖6為某SP16T開關的各個通道的相位，可以看出從1GHz開始，各個通道的相位明顯不一緻，這樣的開關就會導緻圖5所示的不聚焦現象。相比之下，GFSW03的各個通道的相位一緻性就非常好，如圖7所示。

   

圖6：相位不一緻的射頻開關

圖7：相位一緻的射頻開關GFSW03 [3]

使用主機和開關就可以組裝成時分MIMO雷達啦，圖8展示了兩台裝配好的時分MIMO雷達，發射和接收使用SMA連接配接頭，開關控制信号用類似9針序列槽的控制端口接出。

圖8：時分MIMO雷達 [4]

  本文簡要的總結了在時分MIMO雷達中開關相位一緻的重要性，希望能夠幫助到開關設計人員，也歡迎系統工程師來采購我們的開關~

作者：潇灑的電磁波（專業：射頻晶片設計、雷達系統、嵌入式。歡迎大家項目合作交流。）

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引用：

[1]: MIMO Radar, SWRA554A, May 2017, Revised July 2018, Texes Instrument

[2]: https://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.162.10b115desyeHAV&id=627673739609&ns=1&abbucket=2#detail

[3]: https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.5-c-s.w4002-23273774968.29.3d5825aeq1JB8W&id=637897729082

[4]: https://item.taobao.com/item.htm?spm=a2oq0.12575281.0.0.3b5e1debnpIIsp&ft=t&id=642129322708