一种ka频段高隔离度FMCW雷达射频前端结构

技术领域

本发明涉及连续波雷达领域，具体是一种ka频段高隔离度FMCW雷达射频前端结构。

背景技术

对于FMCW雷达来说，TX和RX隔离度是衡量系统性能的一个重要的技术指标，目前，常见的几种增加收发天线隔离度的方法主要有：增大收发天线之间的距离，使用隔离板隔离，贴吸波材料等方法，这些方法都会增大雷达的尺寸，不利于雷达整机的小型化。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在的问题和不足，提供一种ka频段高隔离度FMCW雷达射频前端结构，提升了整体的工作效率。

本发明所解决的技术问题为：

(1)如何在不扩大雷达尺寸的前提下增加收发隔离度；

(2)如何提高射频收发天线的收发隔离度。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种ka频段高隔离度FMCW雷达射频前端结构，包括PCB板，PCB板上安装有射频前端电路和电源电路，射频前端电路包括TX天线、金属接地块、射频收发芯片、RX天线、中频处理电路以及三角波信号调制电路，射频收发芯片安装在PCB板的上表面中心处，TX天线安装在PCB板的上表面靠近射频收发芯片的一侧，RX天线安装在PCB板的上表面靠近射频收发芯片的另一侧，PCB板上靠近边缘处以及靠近TX天线、金属接地块、射频收发芯片以及RX天线的周围均开设有若干个接地过孔，射频收发芯片通过电源电路供电，TX天线以及RX天线均通过射频收发芯片馈电。

作为发明进一步的方案，射频收发芯片包括发射通道电路、接收通道电路和VT电压输入电路，射频收发芯片通过发射通道电路与TX天线电性连接，射频收发芯片通过接收通道电路与RX天线电性连接，射频收发芯片通过VT电压输入电路与三角波信号调制电路电性连接。

作为发明进一步的方案，射频收发芯片包括SPI通信接口和射频芯片寄存器，中频处理电路内设有运放器，SPI通信接口与射频芯片寄存器信号连接。

作为发明进一步的方案，TX天线和RX天线的尺寸和形状相同，TX天线和RX天线分别设有四个辐射贴片单元，相邻的辐射贴片单元的间距为半个波长。

作为发明进一步的方案，电源电路包括若干个LDO芯片。

作为发明进一步的方案，PCB板设有四层，PCB板各层由上至下依次分别为TOP层、GND层、POWER层和BOTTOM层，TOP层和BOTTOM层通过接地过孔相连通。

作为发明进一步的方案，TX天线、金属接地块、射频收发芯片和RX天线安装在TOP层，电源电路、中频处理电路和三角波信号调制电路均设置在BOTTOM层。

作为发明进一步的方案，TOP层的介质材料为Rogers3003，TOP层的介电常数为3.0，BOTTOM层的材料为FR4。

作为发明进一步的方案，接地过孔在PCB板的边缘处以环形阵列进行分布设置，接地过孔在PCB板的边缘处以环形阵列进行分布设置，其中一部分的接地过孔以椭圆环形阵列分布，另一部分的接地过孔以正圆环形阵列分布。

本发明的有益效果：

(1)工作时，通过使TX天线和RX天线各自辐射方向的最弱指向相对，来提高二者之间的隔离度，避免增加结构导致外形尺寸增加，通过设置接地过孔，进一步地提高TX天线和RX天线的隔离度，同时进一步地压缩PCB板的外形尺寸，使得本装置能够在极限的小尺寸结构中获得较高的隔离度，有利于雷达整机体积的小型化；

(2)工作时，三角波信号调制电路不断产生三角波调制信号，射频收发芯片通过VT电压输入电路接收到三角波调制信号后，射频收发芯片产生发射信号，射频收发芯片通过发射通道电路将发射信号输入TX天线，TX天线将发射信号向外辐射，碰到目标物后产生回波电磁信号，RX天线接收回波电磁信号，RX天线将回波电磁信号通过接收通道电路输入射频收发芯片，通过射频收发芯片对回波电磁信号进行处理，射频收发芯片产生中频信号，从而完成对目标物的探测，通过射频收发芯片将TX天线和RX天线分隔，同时通过对TX天线和RX天线辐射的最弱方向同时指向射频收发芯片，从而提高TX天线和RX天线之间的隔离度，并缩短整体尺寸，并压缩工作周期，提高工作效率；

(3)工作时，根据性能需求，通过SPI通信接口对射频芯片寄存器所存储的数值进行更改，射频收发芯片根据射频芯片寄存器的数值并结合回波电磁信号生成差分中频信号，随后通过中频处理电路的运放器将该差分中频信号由差分信号转为单端信号，再通过中频处理电路输出，从而完成工作流程，并输出准确的中频信号，通过接地过孔的分布对PCB板的电流分布进行控制，从而改善收发隔离度，当频率为33～36GHz时，雷达射频前端收发隔离度均在49.3dB以上，有利于减少雷达发射功率对接收通道的干扰，从而提高接收链路的性能指标。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的射频前端电路结构示意图；

图2为本发明的射频前端电路结构实物图；

图3为本发明的整体硬件电路框架图；

图4为本发明PCB板的分层结构示意图；

图5为本发明TX天线的辐射方向图；

图6为本发明TX天线和RX天线的隔离度仿真效果图；

图中：1、TX天线；2、金属接地块；3、射频收发芯片；4、RX天线；5、接地过孔；6、TOP层；7、PCB板；8、SPI通信接口；9、射频芯片寄存器；10、运放器；11、中频处理电路；12、GND层；13、POWER层；14、BOTTOM层；15、三角波信号调制电路。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1-6所示：一种ka频段高隔离度FMCW雷达射频前端结构，包括PCB板7，PCB板7上安装有射频前端电路和电源电路，射频前端电路包括TX天线1、金属接地块2、射频收发芯片3、RX天线4、中频处理电路11以及三角波信号调制电路15，射频收发芯片3安装在PCB板7的上表面中心处，TX天线1安装在PCB板7的上表面靠近射频收发芯片3的一侧，RX天线4安装在PCB板7的上表面靠近射频收发芯片3的另一侧，PCB板7上靠近边缘处以及靠近TX天线1、金属接地块2、射频收发芯片3以及RX天线4的周围均开设有若干个接地过孔5，射频收发芯片3通过电源电路供电，TX天线1以及RX天线4均通过射频收发芯片3馈电；

本实施例工作时，通过使TX天线1和RX天线4各自辐射方向的最弱指向相对，来提高二者之间的隔离度，通过设置接地过孔5，进一步地提高TX天线1和RX天线4的隔离度，同时进一步地压缩PCB板7的外形尺寸，使得本装置能够在极限的小尺寸结构中获得较高的隔离度，有利于雷达整机体积的小型化，本实施例所用的PCB板7为正圆形板状结构，本实施例所用的PCB板7的直径小于五十毫米。

射频收发芯片3包括发射通道电路、接收通道电路和VT电压输入电路，射频收发芯片3通过发射通道电路与TX天线1电性连接，射频收发芯片3通过接收通道电路与RX天线4电性连接，射频收发芯片3通过VT电压输入电路与三角波信号调制电路15电性连接；

本实施例工作时，三角波信号调制电路15不断产生三角波调制信号，射频收发芯片3通过VT电压输入电路接收到三角波调制信号后，射频收发芯片3产生发射信号，射频收发芯片3通过发射通道电路将发射信号输入TX天线1，TX天线1将发射信号向外辐射，碰到目标物后产生回波电磁信号，RX天线4接收回波电磁信号，RX天线4将回波电磁信号通过接收通道电路输入射频收发芯片3，通过射频收发芯片3对回波电磁信号进行处理，射频收发芯片3产生中频信号，从而完成对目标物的探测，通过射频收发芯片3将TX天线1和RX天线4分隔，同时通过对TX天线1和RX天线4辐射的最弱方向同时指向射频收发芯片3，从而提高TX天线1和RX天线4之间的隔离度，并缩短整体尺寸，并压缩工作周期，提高工作效率。

TX天线1和RX天线4的尺寸和形状相同，TX天线1和RX天线4分别由四个辐射贴片单元组成，相邻的辐射贴片单元的间距为半个波长。

电源电路包括若干个LDO芯片，本实施例采用三个LDO芯片，本实例工作时通过电源电路产生两种电压的电流对射频收发芯片3供电，电压值分别为1.2伏和3.3伏。

PCB板7设有四层，PCB板7各层由上至下依次分别为TOP层6、GND层12、POWER层13和BOTTOM层14，TX天线1、金属接地块2、射频收发芯片3和RX天线4均安装在TOP层6，电源电路、中频处理电路11和三角波信号调制电路15均设置在BOTTOM层14，TOP层6的介质材料为Rogers3003，TOP层6的介电常数为3.0，BOTTOM层14的材料为FR4；

射频收发芯片3还包括SPI通信接口8和射频芯片寄存器9，中频处理电路11内设有运放器10，SPI通信接口8与射频芯片寄存器9信号连接，工作时，根据性能需求，通过SPI通信接口8对射频芯片寄存器9所存储的数值进行更改，射频收发芯片3根据射频芯片寄存器9的数值并结合回波电磁信号生成差分中频信号，随后通过中频处理电路11的运放器10将该差分中频信号由差分信号转为单端信号，再通过中频处理电路11输出，从而完成工作流程，并输出准确的中频信号。

接地过孔5在PCB板7的边缘处以环形阵列进行分布设置，其中一部分的接地过孔5以椭圆环形阵列分布，另一部分的接地过孔5以正圆环形阵列分布，TOP层6和BOTTOM层14通过接地过孔5相连通，通过接地过孔5的分布对PCB板7的电流分布进行控制，从而改善收发隔离度，当频率为33～36GHz时，雷达射频前端收发隔离度均在49.3dB以上，有利于减少雷达发射功率对接收通道的干扰，从而提高接收链路的性能指标。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。