汽车防撞雷达系统功率放大器仿真设计

摘要：设计了用于汽车防撞雷达的功率放大器，为了消除在K波段的寄生效应的影响，设计了直流偏置、输入输出匹配网络、耦合隔直和电源滤波的微带网络。通过ADS仿真，得到了噪声系数为2．33，最大输出功率为18．5 dBm，增益为8．5 dB的功率放大器。文中设计的功率放大器适用于FMCW雷达系统。
关键词：雷达；K波段；寄生效应；增益

    随着社会的进步，作为奢侈品的汽车消费品已经开始在普通家庭普及，汽车的行车安全是越来越重要，因此，各国对交通安全越来越重视。据统计，世界上大多数交通事故是司机反映不及造成的，其中绝大部分是属于汽车相撞追尾，为了提前避免这种反应不及的交通事故，为安全驾驶的辅助控制装置汽车防撞雷达随之产生。国际上对汽车防撞雷达的研究较早，其中K波段的汽车防撞雷达技术较为成熟，W波段也开始有大量的研究文献发表。因为以上波段频率较高，用集总参数来设计电路会产生很大的寄生效应，一般用分布参数来完成此类电路的设计，当然目前也出现了一些24GHz汽车雷达系统的MMIC模块，但是其成本较高。在汽车倒车雷达系统中，功率放大器是一个很重要的部件，同样它会引入大量的噪声。在K波段，功率放大器的寄生效应变得非常大，像集总参数的寄生效应，引线的寄生效应，焊盘等。为降低企业的制造成本，提高开发的灵活性，文中用共面波导技术设计了工作在24 GHz汽车雷达系统的功率放大器模块。

1 功率放大器的设计
    根据功率放大器的设计原理，首先选定功放管的工作点Q，定出其电源电压，确定在设计频段内的稳定性，然后做出输入输出匹配网络如图1所示。

1．1 电路设计
    功放管选用安华高(avagotech)公司的E-PHEMT类型的VMMK-1218，因为汽车提供的电源为5 V，所以此功放管的电源电压选为5 V。VMMK-1218的静态工作点选为VDS=2.5V，IDS=25mA。其中直流偏置通过电阻分压得到，为了消除微波信号进入直流电路并加了电源滤波电路，用高频厄流线圈阻断微波信号。在输入和输出端加了匹配滤波网络，并用隔直电容进行了直流的隔离，以防止影响前级和后级电路。

1．2 微波电路的设计
    汽车雷达的工作频率为24 GHz，集总参数元件在此频率下的寄生效应非常明显，故需要利用分布参数元件来设计输入输出匹配网络、电源滤波电路和输入输出的隔直电容。电路如图3所示。其中电阻R1，R5，R6为偏置的分压电阻。

2 仿真和测试结果
    图4为放大器稳定性仿真的波形图，在24～24．25 GHz的范围内，稳定因子全部大于1，说明在此频段内放大器是稳定的。

    图5为电路版图图3的S参数的仿真结果，在24～24．25 GH韵频段内，电路的正向传输系数达到了8 dB左右，输入口的反射系数小于-13 dB，输出口的反射系数小于-20 dB，而此时的反向传输系数最大也只有-17 dB。

    图6是微带功率放大器的输入和输出阻抗的smith圆图，信号频率从24～24．25 G的范围内输入端和输出端的阻抗变化，可以看到，S(2，2)基本已经接近匹配，S(1，1)稍差，但是这对于输入端的噪声抑制有益。图7为24 G微带功率放大器的噪声系数浏试图，可以看到，在频率的低端和高端，无论是单边带还是双边带的噪声系数都很高，在24～24．25 G的范围内，NFdsb和NFssb都小于2．3。

    图8所示为2，4 G功率放大器的增益压缩曲线，可以得出此功率放大器的输出1 dB压缩点在18．5 dBm左右，输入1 dB压缩点在10．5 dBm左右，其增益为8 dB。

3 结论
    基于汽车倒车雷达的应用，设计了工作在24 G的功率放大器，为了减少在24 G的寄生效应，采用了微带的设计方法。最终在漏源为2．5 V，漏极电流25mA偏置的情况下，得到了微带功率放大器的电路，仿真测试表明，功放的输入输出匹配良好，功率增益达到了8 dB，最大输出不失真功率可达18．5 dBm，噪声系数低于2．3 dB。适合汽车倒车雷达系统的应用。