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汽车防撞雷达系统功率放大器仿真设计

关键词:汽车防撞雷达 功率放大器 仿真设计 MMIC

时间:2013-03-18 11:14:03       来源:互联网

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。

 

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