提高雷达系统的动态性能

如果我们正在设计汽车雷达，甚至是商业或军用雷达系统，我们都会受到物理学的约束。我想改变这一点，但我在大学里的许多老教授都说“有些规则可以改变，有些自然法则是不可动摇的”。无线电传输中的路径损耗就是其中之一。因此，如果我们想让雷达看得更远，就需要提高系统的动态范围。

我们将从基础开始，以了解为什么动态范围是一个问题以及在哪里改进它——雷达方程。这定义了雷达可以根据各种系统和大气条件看到的距离。完整的(哎呀!)方程式如下所示(我又做了那个数学噩梦!)。

但是要查看对系统的影响，我们将把它剥离到基础知识……经典的雷达方程。

第一个问题很明显……范围是包括天线增益和目标横截面在内的发射功率 (P S ) 与接收机可检测到的最小功率 (P E[MIN] ) 之比的函数。该函数是四次方根，因此假设固定的发射功率和目标尺寸，同时固定天线增益和其他常数，等式简化为如下所示。

现在我们看到了提高接收机动态范围和灵敏度的效果。将接收器的噪声功率本底提高 10 分贝(电压噪声为 20 分贝)理论上可将雷达的探测范围提高 77% 以上。

要解决此问题，请考虑将返回信号数字化的系统(而非数据转换器)的 ENOB 或有效位数。有几个因素会影响本底噪声，例如时钟抖动(一种影响 SINAD 的噪声形式)、量化噪声(转换器分辨率的“位”)和放大器链的输入参考噪声。

让我们从数字化仪开始。对于大多数现代雷达系统，在数据转换器之前有一个下变频阶段，通常用于在第二奈奎斯特区进行数字化。ADS4449是一款250 Msps 14 位四通道 ADC，SFDR 为 87 db，SINAD 超过 70 db，因此 ENOB 为 11.5。这是许多汽车或气象雷达应用的绝佳选择。

为了将信号传送到数据转换器，我们需要一个低噪声混合级。一个值得考虑的良好本地振荡器 (LO) 合成器是TRF3765，它具有 350 飞秒数量级的极低 RMS 抖动。

TRF3765是一款宽频带整数N/分数N频率合成器， 此合成器具有集成的、宽频带压控振荡器(VCO)。可编程输出分压器可实现300MHz至4.8GHz频率范围的连续覆盖。4个单独的差分、开集RF输出可在无需外部分离器的情况下并行驱动多个器件。

TRF3765也接受外部VCO输入信号，并且可通过一 个可编程控制输出来实现开/关控制。为了实现最大灵活性和宽基准频率范围，设定宽范围分压比设置，并且 可使用一个芯片外环路滤波器。

为了以最大动态范围驱动 ADC，可以使用高速、低噪声差分放大器，它可以利用 ADC 的共模输出将输入信号准确地放置在 ADC 需要的位置。一个不错的选择可能是设计用于驱动现代数据转换器的LMH6552 。

最后，但非常重要的是主时钟，它通常由 FPGA 提供，用于获取 ADC 的输出。根据时钟产生的距离或存在多少抖动，最好在将其发送到 ADC 之前对其进行清理。请记住，抖动是噪声，直接影响转换器的 ENOB，因此干净的时钟是绝对必要的。我建议从LMK048xx 系列中选择一个设备，例如LMK04808。这些时钟清除器还具有极低的抖动，可以恢复主时钟以及分配干净的时钟信号。

所以你有它。如果我们想让雷达看得更远，我们可以使用更多发射功率、提高天线增益或简单地在接收器链中使用噪声较低的组件，从而提高雷达接收器的整体噪声性能。