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汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)功率放大器仿真設(shè)計(jì)

2013-01-31 來(lái)源:電子設(shè)計(jì)工程 字號(hào):

隨著社會(huì)的進(jìn)步,作為奢侈品的汽車消費(fèi)品已經(jīng)開始在普通家庭普及,汽車的行車安全是越來(lái)越重要,因此,各國(guó)對(duì)交通安全越來(lái)越重視。據(jù)統(tǒng)計(jì),世界上大多數(shù)交通事故是司機(jī)反映不及造成的,其中絕大部分是屬于汽車相撞追尾,為了提前避免這種反應(yīng)不及的交通事故,為安全駕駛的輔助控制裝置汽車防撞雷達(dá)隨之產(chǎn)生。國(guó)際上對(duì)汽車防撞雷達(dá)的研究較早,其中K波段的汽車防撞雷達(dá)技術(shù)較為成熟,W波段也開始有大量的研究文獻(xiàn)發(fā)表。因?yàn)橐陨喜ǘ晤l率較高,用集總參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)電路會(huì)產(chǎn)生很大的寄生效應(yīng),一般用分布參數(shù)來(lái)完成此類電路的設(shè)計(jì),當(dāng)然目前也出現(xiàn)了一些24GHz汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的MMIC模塊,但是其成本較高。在汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)中,功率放大器是一個(gè)很重要的部件,同樣它會(huì)引入大量的噪聲。在K波段,功率放大器的寄生效應(yīng)變得非常大,像集總參數(shù)的寄生效應(yīng),引線的寄生效應(yīng),焊盤等。為降低企業(yè)的制造成本,提高開發(fā)的靈活性,文中用共面波導(dǎo)技術(shù)設(shè)計(jì)了工作在24 GHz汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的功率放大器模塊。

1 功率放大器的設(shè)計(jì)

根據(jù)功率放大器的設(shè)計(jì)原理,首先選定功放管的工作點(diǎn)Q,定出其電源電壓,確定在設(shè)計(jì)頻段內(nèi)的穩(wěn)定性,然后做出輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 功放的結(jié)構(gòu)圖

1.1 電路設(shè)計(jì)

功放管選用安華高(avagotech)公司的E-PHEMT類型的VMMK-1218,因?yàn)槠囂峁┑碾娫礊? V,所以此功放管的電源電壓選為5 V。VMMK-1218的靜態(tài)工作點(diǎn)選為VDS=2.5V,IDS=25mA。其中直流偏置通過(guò)電阻分壓得到,為了消除微波信號(hào)進(jìn)入直流電路并加了電源濾波電路,用高頻厄流線圈阻斷微波信號(hào)。在輸入和輸出端加了匹配濾波網(wǎng)絡(luò),并用隔直電容進(jìn)行了直流的隔離,以防止影響前級(jí)和后級(jí)電路。

圖2 VMMK-1218電路原理圖

1.2 微波電路的設(shè)計(jì)

汽車?yán)走_(dá)的工作頻率為24 GHz,集總參數(shù)元件在此頻率下的寄生效應(yīng)非常明顯,故需要利用分布參數(shù)元件來(lái)設(shè)計(jì)輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)、電源濾波電路和輸入輸出的隔直電容。電路如圖3所示。其中電阻R1,R5,R6為偏置的分壓電阻。

圖3 分布參數(shù)設(shè)計(jì)的放大器

2 仿真和測(cè)試結(jié)果

圖4為放大器穩(wěn)定性仿真的波形圖,在24~24.25 GHz的范圍內(nèi),穩(wěn)定因子全部大于1,說(shuō)明在此頻段內(nèi)放大器是穩(wěn)定的。

圖4  穩(wěn)定性仿真

圖5為電路版圖圖3的S參數(shù)的仿真結(jié)果,在24~24.25 GH韻頻段內(nèi),電路的正向傳輸系數(shù)達(dá)到了8 dB左右,輸入口的反射系數(shù)小于-13 dB,輸出口的反射系數(shù)小于-20 dB,而此時(shí)的反向傳輸系數(shù)最大也只有-17 dB。

圖5 S參數(shù)的仿真

圖6是微帶功率放大器的輸入和輸出阻抗的smith圓圖,信號(hào)頻率從24~24.25 G的范圍內(nèi)輸入端和輸出端的阻抗變化,可以看到,S(2,2)基本已經(jīng)接近匹配,S(1,1)稍差,但是這對(duì)于輸入端的噪聲抑制有益。圖7為24 G微帶功率放大器的噪聲系數(shù)瀏試圖,可以看到,在頻率的低端和高端,無(wú)論是單邊帶還是雙邊帶的噪聲系數(shù)都很高,在24~24.25 G的范圍內(nèi),NFdsb和NFssb都小于2.3。

圖6 輸入輸出阻抗的仿真

7 DSB/SSB的噪聲曲線

圖8所示為2,4 G功率放大器的增益壓縮曲線,可以得出此功率放大器的輸出1 dB壓縮點(diǎn)在18.5 dBm左右,輸入1 dB壓縮點(diǎn)在10.5 dBm左右,其增益為8 dB。

8 增益壓縮曲線

3 結(jié)論

基于汽車倒車?yán)走_(dá)的應(yīng)用,設(shè)計(jì)了工作在24 G的功率放大器,為了減少在24 G的寄生效應(yīng),采用了微帶的設(shè)計(jì)方法。最終在漏源為2.5 V,漏極電流25mA偏置的情況下,得到了微帶功率放大器的電路,仿真測(cè)試表明,功放的輸入輸出匹配良好,功率增益達(dá)到了8 dB,最大輸出不失真功率可達(dá)18.5 dBm,噪聲系數(shù)低于2.3 dB。適合汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用。

作者:馬中華,歐陽(yáng)軍,陳彭

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