汽車防撞單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制(畢業(yè)設(shè)計(jì))(編輯修改稿)
2025-07-24 05:09 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 壓源，以給耿氏二極管供電。耿氏二極管在偏置電壓的作用下發(fā)生振蕩，并在振蕩腔中產(chǎn)生微波信號(hào)，經(jīng)環(huán)流從天線發(fā)射出去（部分泄露到混頻器）。在振蕩腔中間有顆調(diào)節(jié)螺絲，可對(duì)微波的頻率進(jìn)行微調(diào)，調(diào)節(jié)完畢之后由緊固螺絲固定。另外，饋電導(dǎo)體末端有一由電容片和聚四氟乙烯薄膜構(gòu)成高頻旁路電容，起到隔離電壓源與微波信號(hào)的作用。二極管混頻器安裝在中心導(dǎo)體螺紋底座之間，對(duì)天線接收來(lái)的回波信號(hào)和振蕩腔內(nèi)的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，經(jīng)中心導(dǎo)體由焊片輸出。同樣，中心導(dǎo)體末端有一由電容片和聚四氟乙烯薄膜組成的高頻濾波電容，對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行濾波。 微波振蕩器微波振蕩器是雷達(dá)傳感器的波源，是整個(gè)傳感器的核心部分，根據(jù)選取半導(dǎo)體有源器件的不同，可分為電真空振蕩器與固體振蕩器兩大類，本設(shè)計(jì)采用一種比較常見(jiàn)的固態(tài)振蕩器—美國(guó)Micronsemi公司生產(chǎn)的+8V供電耿氏二極管MG105211，作為雷達(dá)傳感器的微波源，該器件最主要特點(diǎn)是穩(wěn)定性好、相位噪聲小、功耗低、（），其主要工作原理為耿氏二極管的負(fù)阻效應(yīng)。耿氏二極管也稱體效應(yīng)管，與通常由PN結(jié)構(gòu)成的二極管不同，它是依靠砷化鎵等材料的額一種特殊物理效應(yīng)——負(fù)阻效應(yīng)工作的。工作時(shí)，耿氏二極管通常裝在諧振腔的適當(dāng)位置上，并在其兩端加上適當(dāng)?shù)钠珗?zhí)電壓，讓耿氏二極管工作在負(fù)阻區(qū)，便可構(gòu)成微波負(fù)阻振蕩器，在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生微波諧振信號(hào)，其等效電路如圖3所示。 圖3 耿氏二極管等效電路在圖3中，右側(cè)表示與諧振腔等效的L0，R0，C0并聯(lián)諧振回路；左側(cè)表示耿氏二極管的等效電路，Cd為電荷區(qū)域的電容參數(shù)，Rd為負(fù)電阻，C、L是管殼及引線的分布參數(shù)，耿氏管的負(fù)電阻Rd與諧振腔的正電阻R0并聯(lián)，根據(jù)電路原理，易知電路的總電阻Rs為。 （3）該電路可進(jìn)一步簡(jiǎn)化如圖4所示。 如果選擇的工作點(diǎn)能滿足，在直流電源剛接通瞬間，且震蕩振幅會(huì)隨時(shí)間不斷增大。由于管阻是非線性的，其絕對(duì)值隨著振幅的增大而減小。當(dāng)=時(shí)，從式(3)可以看出，=，即處于開(kāi)路狀態(tài)，整個(gè)電路等效于LC無(wú)損等幅振蕩回路，其振蕩頻率為。 圖4 耿氏二極管簡(jiǎn)化電路 (4)由式（4）和圖4可知，微波的振蕩頻率主要由耿氏二極管的特性決定，并受諧振腔影響。諧振腔通常由一段封閉的金屬材料波導(dǎo)管構(gòu)成，在電路結(jié)構(gòu)中，可以起到兩方面的作用：一是調(diào)節(jié)震蕩波形使其接近正弦波，二是將高頻電磁波的能量收集到諧振腔內(nèi)，通過(guò)電磁耦合把該高頻能量送到環(huán)流裝置上去。 混頻器混頻器是雷達(dá)傳感器中必不可少的關(guān)鍵部件，其基本功能就是對(duì)信號(hào)的頻率進(jìn)行變換，在雷達(dá)傳感器中，混頻器起到作用是對(duì)發(fā)射信號(hào)的頻率和接收信號(hào)的頻率進(jìn)行差額。從電路結(jié)構(gòu)的角度上看，混頻器可分為采用一個(gè)混頻二極管的單端式混頻器和采用2個(gè)或4個(gè)混頻二極管的平衡式混頻器，單端混頻器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本低，其缺點(diǎn)為噪聲高，抑制噪聲的能力差；平衡式混頻器剛好相反，借助于平衡電橋來(lái)抵消本機(jī)振蕩器的噪聲，從而提高混頻器的抗干擾能力；另一方面，電橋又能對(duì)回波信號(hào)和本振信號(hào)進(jìn)行良好的隔離，由于平衡式混頻器有點(diǎn)明顯，因而成為當(dāng)前市場(chǎng)上絕大多數(shù)的混頻器都是采用該種形式。本章綜合考慮選擇由兩個(gè)二極管構(gòu)成的平衡式混頻器。其內(nèi)部采用鰭形結(jié)構(gòu)，根據(jù)原理，在混頻的輸入輸出之間構(gòu)成環(huán)流器，從而不用再外加環(huán)流器件，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示?；祛l器一般處于在矩形波導(dǎo)的末端并盡可能接近天線。放置時(shí)，1端朝向微波振蕩器并與其構(gòu)成混頻腔；2端朝向天線；3端接中心導(dǎo)體輸出混頻信號(hào)。微波振蕩器輸出的本振信號(hào)從1端輸入，經(jīng)環(huán)流從2端輸出到天線；而部分信號(hào)泄露、耦合，加在混頻二極管DD2的兩端；回波信號(hào)從2端輸入，也經(jīng)環(huán)流耦合到DD2兩端；DD2另一端由低阻抗開(kāi)路微帶線構(gòu)成微波接地。D1與D2極性相反，故其中頻電流同相疊加輸出。 圖5 混頻器結(jié)構(gòu)圖設(shè)本振耦合進(jìn)來(lái)的電壓信號(hào)為： （5）式中，為本振耦合電壓幅值。在此電壓的作用下，混頻二極管的電導(dǎo)g會(huì)發(fā)生周期性的變化，具體可用如下三角級(jí)數(shù)表示： （6）式中，為電導(dǎo)的i(i=0,1,2……)次諧波分量，再假設(shè)，兩二極管受到的回波信號(hào)電壓分別為： (7)式中，為回波信號(hào)電壓幅值。另外，有效中頻電流主要由回波信號(hào)的電壓和混頻管電導(dǎo)的基頻分量決定。根據(jù)電壓、電流、電導(dǎo)的關(guān)系，有： (8)忽略二次頻變，得： (9)由于兩路中頻電流在耦合端進(jìn)行疊加輸出，可得中頻輸出電流為： （10）由此可見(jiàn)，該中頻電流的頻率為微波與回波信號(hào)的頻率差，即多普勒頻移量。 收發(fā)天線天線是雷達(dá)傳感器中另一重要器件，其主要功能是收發(fā)電磁波：一方面將波導(dǎo)內(nèi)的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成無(wú)限微波信號(hào)發(fā)射出去；另一方面，接收目標(biāo)發(fā)射回來(lái)的回波信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成波導(dǎo)磁場(chǎng)，部分雷達(dá)采用兩部天線，將接收天線與發(fā)射天線隔離開(kāi)。這樣做有利于對(duì)干擾的屏蔽，但也增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，增加成本。因而，現(xiàn)在大多數(shù)的微波雷達(dá)傳感器都是采用收發(fā)共用體制天線。常見(jiàn)的天線種類有很多，如陣列天線、相控陣天線、波導(dǎo)裂縫陣天線以及發(fā)射面天線等。而車載裝置上的雷達(dá)傳感器普遍采用的是反射面天線，本章采用最為常見(jiàn)的一種反射面天線——圓錐喇叭天線，如圖6所示。 圖6 天線結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)時(shí)考慮測(cè)距量程，根據(jù)《中華人名共和國(guó)高速公路交通管理辦法》第15條規(guī)定，當(dāng)車速為100km/h以上時(shí)，行車距離至少為100m。但為留一定的裕量，本章提出實(shí)現(xiàn)150m測(cè)距范圍。而且微波的輻射面積要求集中，不能大于兩個(gè)車道的寬度，否則容易被旁邊的物體發(fā)射形成干擾。由圖5可以估算得雷達(dá)波的主瓣寬度約為。 （11）式（11）中，K為幅射面積直徑，L為量程。根據(jù)文獻(xiàn)，最佳圓錐喇叭天線的設(shè)計(jì)方法有： （12） （13）式（12）和（13）中，為圓錐喇叭天線延伸后的高，D為天線的開(kāi)口直徑，為雷達(dá)波的波長(zhǎng)，易知。根據(jù)三角關(guān)系有： （14）式中，A為振蕩腔體的寬邊，為天線實(shí)際圓錐段的長(zhǎng)度。綜合式（11）到（14）可得：D=94（mm）；=（mm）。再加上一段圓形轉(zhuǎn)矩形的波導(dǎo)接口整個(gè)天線的實(shí)際長(zhǎng)度為122mm。 前置電路 發(fā)射前端電路發(fā)射前端電路主要目的是通過(guò)對(duì)偏置電壓的控制來(lái)完成發(fā)射信號(hào)的頻率或相位的調(diào)制，而本文采用的是連續(xù)波（CW）體制雷達(dá)，不需要復(fù)雜調(diào)制電路，只需要給耿氏二極管提供一個(gè)穩(wěn)定的直流偏執(zhí)電壓即可。本文在電壓的輸入前端設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)壓保護(hù)電路，以保證電源電壓不受高頻干擾的影響。電路如圖7所示。圖7 發(fā)射前端電路在圖7中，電感L1和電容CC2構(gòu)成LC整流濾波，IN4742穩(wěn)壓管D1起到穩(wěn)壓保護(hù)作用。 中頻放大器由于混頻器輸出的信號(hào)是十分微弱的，其幅值大小大約在1mV到100mV之間，不適合遠(yuǎn)距離傳輸。因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候，通常將其放大后再傳輸，這就要求中頻放大器前置并緊靠混頻器。中頻放大器的具體的電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。 圖8 中頻放大電路在圖8中Q1，R2和R3構(gòu)成基本的共射放大；穩(wěn)壓管D1起保護(hù)作用；C1隔離直流；C2和R2起到電壓負(fù)反饋的作用。4 微波測(cè)速測(cè)距硬件模塊 信號(hào)調(diào)理模塊微波雷達(dá)傳感器輸出的
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