射頻工程師：純手工打造的S波段雷達(dá)系統(tǒng)

射頻工程師：純手工打造的S波段雷達(dá)系統(tǒng)此文主要面向電子DIY愛(ài)好者，以及像我一樣的射頻領(lǐng)域初學(xué)者，重點(diǎn)在于分享自己在制作程中的收獲與體會(huì)，方便與更多朋友交流制作過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)與不足。并使制作這部雷達(dá)的愛(ài)好者可以用更低的成本，實(shí)現(xiàn)同樣甚至更好的制作效果。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我參考了一些網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的電路及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，公開(kāi)課是我們學(xué)習(xí)其他領(lǐng)域知識(shí)的一個(gè)很不錯(cuò)的途徑。如果你是一個(gè)新手，在本文中可以了解到在簡(jiǎn)易雷達(dá)制作過(guò)程中所需要的工具、設(shè)備、相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，按照要求購(gòu)置元器件、連接電路，之后就可以了解s波段雷達(dá)的基本運(yùn)行方式了。如果你是一個(gè)老手，那么本文所闡述的設(shè)計(jì)過(guò)程和思路也可以作為學(xué)習(xí)交流之用。筆者更希望各位能對(duì)我的設(shè)計(jì)多多指教，批評(píng)指正！雷達(dá)，是英文Radar的音譯，是radiodetectionandranging的縮寫(xiě)，意思是“使用電磁波進(jìn)行探測(cè)和測(cè)距”。一提到雷達(dá)，大多數(shù)人想到的是閱兵式上及各大影視作品中的大型拋物面天線以及不斷掃描的R型顯示器，很有種“高大上”的感覺(jué)。其實(shí)，只要理解了雷達(dá)的原理，我們也可以利用手邊的萬(wàn)能板與電阻、電容，焊出采用標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)架構(gòu)的S波段雷達(dá)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛、行人，甚至無(wú)人機(jī)的精確測(cè)距與測(cè)速。筆者DIY的用于實(shí)驗(yàn)的雷達(dá)如圖1所示。圖1、雷達(dá)的整體效果圖整體的設(shè)計(jì)思路我們?cè)诔踔形锢碚n學(xué)過(guò)，隨著火車(chē)的接近到遠(yuǎn)離過(guò)程，在地面上的人聽(tīng)到的火車(chē)運(yùn)行聲音的頻率也會(huì)發(fā)生變化，這就是多普勒頻移。如果我們向一個(gè)目標(biāo)發(fā)射電磁波，這個(gè)目標(biāo)也在運(yùn)動(dòng)，那么運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)就會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生影響，即改變反射回來(lái)的電磁波的頻率，頻率的變化程度就反應(yīng)了這個(gè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)有多快，而從發(fā)射到接收電磁波的時(shí)間也就決定了目標(biāo)距離雷達(dá)的距離。如果我們能夠把這個(gè)頻率變化和發(fā)射、反射時(shí)間提取出來(lái)，也就能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線電測(cè)距、測(cè)速！其實(shí)，以DIY愛(ài)好者手中的裝備，做出一部探測(cè)雷達(dá)并不是很難。首先，我們查閱網(wǎng)絡(luò)上的資料，了解到雷達(dá)是由如圖2所示的幾個(gè)部分組成。圖2、連續(xù)波雷達(dá)原理圖簡(jiǎn)化后，我們發(fā)現(xiàn)雷達(dá)分為微波信號(hào)源、功分器、混頻器、高頻放大器、收發(fā)天線、低頻放大器及濾波器、A/D轉(zhuǎn)換模塊，想要一次性完成這些模塊難度確實(shí)比較大，所以要先歸納總結(jié)一下。我們將這個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)分為以下3個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。(1)高頻電磁波模塊。首先確定雷達(dá)的工作頻率和發(fā)射功率。再搜羅比較容易獲得的高頻元器件。器件購(gòu)置完畢后，尋找與其工作頻率相同的天線，將電磁波發(fā)射出去，并接收到電磁波遇到物體反射回來(lái)的回波。通過(guò)一個(gè)混頻器來(lái)比較發(fā)射信號(hào)和接受信號(hào)之間的頻率變化，這個(gè)頻率變化輸入到低頻模擬信號(hào)部分進(jìn)行處理。(2)中頻信號(hào)處理模塊。利用低噪聲運(yùn)放搭建出放大器、濾波器，對(duì)混頻器輸出的小信號(hào)進(jìn)行放大。通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算得知，多普勒頻移大約為v×cosθ/λ，v是我們準(zhǔn)備測(cè)量目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，λ是我們發(fā)射的電磁波的波長(zhǎng)，θ是電磁波與物體的運(yùn)動(dòng)速度與移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向的夾角。我們假設(shè)波長(zhǎng)為1cm～1m(這個(gè)波長(zhǎng)長(zhǎng)度涵蓋了300MHz～30GHz的信號(hào)，我們有充足的選擇空間)，v為1～50m/s(涵蓋了從行人、汽車(chē)到無(wú)人機(jī)的速度)。(3)電源、傳輸線及支撐模塊。為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)功率符合要求的電源模塊，界面簡(jiǎn)單、操作性強(qiáng)的傳輸線/控制模塊，以及整個(gè)系統(tǒng)的支撐模塊。高頻電磁波模塊的設(shè)計(jì)首先，要確定雷達(dá)的工作頻率，雷達(dá)頻率是雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的功率電磁波信號(hào)在未受調(diào)制前的頻率，也稱為發(fā)射信號(hào)的載頻頻率。發(fā)射電磁波，特別是高頻信號(hào)要遵循兩個(gè)原則：(1)必須在相關(guān)規(guī)定允許的頻率范圍內(nèi)發(fā)射信號(hào)，不能干擾其他民用設(shè)備的運(yùn)行。(2)2.4GHz免執(zhí)照頻段應(yīng)用的發(fā)射功率應(yīng)小于100mW，當(dāng)天線增益高于10dBi時(shí)，其等效功率不大于500mW。我們選用14dBi的天線，因此，要通過(guò)等效計(jì)算，得到其對(duì)應(yīng)的功率值，并將其限制在指定的范圍內(nèi)。因此，我選擇了市售的射頻壓控振蕩器ZX95-2536C-S+，它可以產(chǎn)生2300～2500MHz的高頻信號(hào)，通過(guò)改變其調(diào)制電壓的大小，就可以改變輸出頻率。以它為源頭，對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行處理。根據(jù)原理框圖描述，我們還需要購(gòu)買(mǎi)與其頻率相對(duì)應(yīng)的功率分配器、射頻放大器、混頻器等相關(guān)的元器件。但是，查閱說(shuō)明書(shū)，VCO的輸出功率為6dBm，射放的放大參數(shù)為13～14dBm，天線的增益為14dBi，實(shí)際上輸出功率已大于免執(zhí)照功率，因此，我們要增加一個(gè)衰減器VAT-3，使其發(fā)射功率降低到規(guī)定功率之下，雖然這會(huì)降低雷達(dá)的威力范圍，但是，一切涉及無(wú)線電接收發(fā)射，特別是無(wú)線電發(fā)射的部分，一定要查閱有關(guān)規(guī)定，嚴(yán)格按照國(guó)家規(guī)定的幅度和頻率范圍進(jìn)行發(fā)射。射頻部分設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于選擇符合要求的市售元器件模塊。由于射頻系統(tǒng)制作工藝要求較高，如需要自己動(dòng)手制作，需要使用價(jià)格昂貴的網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀、射頻信號(hào)源進(jìn)行調(diào)試，所以這一部分可能選擇壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性好的元器件，并在通電前進(jìn)行仔細(xì)檢測(cè)，避免燒壞元器件造成成本上升。建議在條件允許的前提多買(mǎi)幾個(gè)VCO、高放，這些器件容易燒壞，其余的混頻器，功分器，衰減器及連接件均按正常數(shù)量購(gòu)買(mǎi)(見(jiàn)圖3)。圖3、高頻電磁波模塊中的微波元器件關(guān)于發(fā)射及接收天線部分，由于我們采用了ISM波段的信號(hào)，市售Wi-Fi天線均能滿足我們的需求，因此，我選擇了能夠買(mǎi)到的。最大增益系數(shù)的天線，并購(gòu)買(mǎi)了相應(yīng)的饋線。注意，購(gòu)買(mǎi)或制作饋線時(shí)，一定要注意匹配阻抗有50Ω和75Ω兩種，這里推薦使用5OΩ的饋線，可以減少電磁波在傳輸過(guò)程中的損失(見(jiàn)圖4～圖9)。圖4、高頻電磁波模塊中的天線圖5、天線部分的改造，使用了廢舊的支架和連接件圖6、連接器中心的銅柱即為饋點(diǎn)圖7、天線饋線的改造，天線饋線為內(nèi)螺內(nèi)孔，而高頻模塊為外螺內(nèi)孔，需要用兩個(gè)連接器連接圖8、4種連接器的接頭形式圖9、饋線部分的改造，增加了兩個(gè)連接器。用來(lái)連接天饋線系統(tǒng)和高頻系統(tǒng)最終，混頻器會(huì)檢測(cè)發(fā)射及接收電磁波的頻率關(guān)系，將反應(yīng)頻率差異的信號(hào)以電壓信號(hào)的形式輸出(見(jiàn)圖10)。這一信號(hào)包含了我們所需要的目標(biāo)距離和速度的信息，是整部雷達(dá)的關(guān)鍵信號(hào)，在傳輸過(guò)程中，我們一定要減少這一信號(hào)的傳輸損耗，以及無(wú)屏蔽信號(hào)傳輸線的長(zhǎng)度，盡可能避免各種噪聲信號(hào)對(duì)它的干擾。因此，我選擇用帶屏蔽網(wǎng)的SMA接頭傳輸線傳遞這一信號(hào)，并在萬(wàn)能板上焊接一個(gè)SMA接頭。圖10、混頻器的出口，從這個(gè)端口輸出信號(hào)給中頻處理模塊中頻信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)中頻信號(hào)處理部分分為兩個(gè)方面，首先是調(diào)制高頻VCO信號(hào)產(chǎn)生電路，其次是對(duì)混頻器輸出信號(hào)的濾波放大電路。首先，我們考慮信號(hào)產(chǎn)生電路。為了確保射頻元器件不被燒壞，我們一定要仔細(xì)檢查輸入信號(hào)的電壓幅值，因?yàn)檎麄€(gè)雷達(dá)系統(tǒng)成本的85%都在射頻器件上，一旦燒壞，對(duì)自己的預(yù)算來(lái)說(shuō)，是很大的損失。中頻信號(hào)部分的布線與連接見(jiàn)圖11～圖14。圖11、中頻部分的電路圖12、使用了一個(gè)航空插頭，這個(gè)插頭為總插頭，是整個(gè)系統(tǒng)唯一的接口，焊接時(shí)要特別小心，等到確定牢固了之后再套熱縮管圖13、高頻部分與中頻部分的連接是通過(guò)一組SMA接口來(lái)完成的圖14、布線要盡可能規(guī)整，必要的時(shí)候使用捆扎帶以及連接器查閱ZX95-2536C-S+的說(shuō)明書(shū)，我們可以得到它的極限參數(shù)，也就是一條不能逾越的“紅線”(見(jiàn)圖15)。圖15、ZX95-2536C-S+的極限參數(shù)為了確保這一“紅線”不被逾越，我們的信號(hào)產(chǎn)生電路要能夠控制信號(hào)的幅度和頻率。相關(guān)的電路原理圖見(jiàn)圖16。圖16、基于XR2206的信號(hào)產(chǎn)生電路緊接著，我們考慮混頻器輸出信號(hào)的濾波放大電路，由于電路設(shè)計(jì)的原因，以及混頻器內(nèi)部產(chǎn)生的無(wú)用信號(hào)，我們的輸出信號(hào)存在一系列無(wú)用的噪聲。而在前面我們通過(guò)計(jì)算得知，我們要的信號(hào)頻率大約在幾十至幾百赫茲，因此，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波放大電路，對(duì)其進(jìn)行放大濾波，這里采用了一個(gè)基于MAX414CPD+的設(shè)計(jì)方案，相關(guān)的電路見(jiàn)圖17。圖17、基于MAX414CPD+的濾波放大電路我們通過(guò)一條3.5mm音頻線將處理后的信號(hào)輸入筆記本電腦，并用錄音軟件CoolEdit來(lái)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，這就省去了自己制作A/D模塊的麻煩。軟件部分設(shè)計(jì)硬件是我們實(shí)現(xiàn)DIY功能所必須的裝備，而軟件則是“主內(nèi)”的核心，缺了硬件，雷達(dá)就失去了工作的基礎(chǔ)，而沒(méi)了軟件，雷達(dá)就沒(méi)有了工作的靈魂。接下來(lái)，我們要通過(guò)MATLAB軟件程序，成為一名“信號(hào)數(shù)學(xué)家”，從不斷變化的信號(hào)中，提取出目標(biāo)的距離、速度以及其他信息。在A/D變換后，我們的程序就會(huì)對(duì)變換后的數(shù)字波形進(jìn)行讀取與處理。考慮到有些朋友不太熟悉程序設(shè)計(jì)，為了不影響大家對(duì)原理的理解，筆者在代碼中加上了較多的中文注釋，將程序整段復(fù)制入MATLAB，設(shè)置好wavread函數(shù)中的文件地址，就可以直接單擊運(yùn)行，然后等待軟件的處理結(jié)果。圖18所示是我與好友共同配合完成的測(cè)距實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我負(fù)責(zé)操作雷達(dá)，好友在100m直線跑道上進(jìn)行勻速折返運(yùn)動(dòng)，跑到距離雷達(dá)40m處的標(biāo)記后再折返，經(jīng)過(guò)處理即得到了探測(cè)的圖像結(jié)果，見(jiàn)圖19、圖20。圖18、測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖19、對(duì)行人的測(cè)距測(cè)速結(jié)果圖20、用CoolEdit軟件錄取的實(shí)際回波，回波的起伏代表多普勒頻移整體系統(tǒng)的效果及設(shè)計(jì)心得介紹了很多專業(yè)范疇的內(nèi)容之后，我利用從損壞臺(tái)燈