微波智能传感与互联系统设计

智慧交通系统（Intelligent Transport Systems, ITS）将先进的信息、计算机、数据通信、传感器、电子控制技术等有效地综合运用于整个交通服务，从而建立起来的一种大范围、全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统，以解决日趋恶化的道路交通拥挤、交通事故和环境污染。作为ITS先进传感器技术之一的微波传感器，具有体积小、全天候、精度高等工作特性，成为未来ITS领域的重要车载传感器技术之一。

1 研究现状和发展趋势

在ITS的道路智慧化应用中，目前上海的外环线、上海南浦大桥、杨浦大桥、广州高速公路、厦门莲坂交叉口等多项智能交通业务中，已采用国产的微波交通雷达产品。

微波传感器能够在沙尘、烟雾等恶劣环境下，日夜工作，因而具有全天候的工作特性，这一点是现行光与视频传感器无法比拟的；微波传感器具有更小的体积与重量、更利于大规模集成化生产等优点；微波传感器具有比声、光、视频传感器更高的抗干扰能力，不仅能够对各种物理干扰（震动、动物侵入、合法进入等）进行分类识别，而且不易受现代化的无线电波、电磁辐射等干扰，具有先进性；此外，微波传感器在无线感知目标的同时，可以复合行使无线互联的功能，更具有先进性。

因此，本文以ITS应用为背景，进行微波传感器的传感与互联技术研究，具有迫切的国家应用需求。

2 微波智能传感系统设计

基于自主微波/毫米波集成电路（MMIC）技术，进行微波GaAs芯片的多芯片级连、层叠结构设计、垂直通孔互联等低功耗、微波智能传感系统设计。

微波智能传感系统前端集成发射机/接收机，作为传感器的核心器件，与微波天线（收发天线分置）进行通孔连接。微波智能传感系统工作体制为调频连续波（FMCW），输出包含目标信息的回波信号，经中频电路滤波、放大、检波后，进入信号处理电路，进行探测目标的目标识别。微波智能传感系统收发前端由以下几个模块组成：微波天线为收发分置式，发射天线与接收天线的天线特性相同，且隔离度在-30dB以上；前端为射频收发模块，主要含微波振荡器、功率放大器、混频器等功能模块；中频电路为中频滤波电路、中频放大电路、检波电路的模块集成；信号处理电路通过单片机初级实现；PC机为数据的采集和信号处理程序的运行服务；最终全系统对侵入目标进行识别。

在微波智能传感系统的设计中，按照天线层、射频层和中频信号处理层，进行分层设计与制作，不仅能够更好地适应现代工艺生产，保证性能的一致性，而且在性能上具有良好的电磁兼容特性，抗干扰能力较强。微波智能传感系统对目标的探测如图1所示。

图1模拟车辆目标的探测及其信号

3 微波智能互联系统研制

微波智能互联系统设计框图，如图2所示。

图2 微波互联收发机设计框图

本系统射频前端载波频率为24GHz，系统如果在室内10m的距离内实现大于100Mbps的通信速率，表1给出的链路预算，当传输距离为10米时，信号平均发射功率为5 dBm（如果传输距离长，可以增大发射功率）。系统具有41.34 dB的链路余量，最小接收机灵敏度为-105.5 dBm。表1为系统通讯互联进行的链路预算表。

表1 链路预算表无线传输速率 100 Mbps平均发射功率 5 dBm发送天线增益 10 dBi接收天线增益 10 dBi系统工作频率 24 GHz 10米处路径损耗 88.16 dB平均接收功率 -63.16 dBm天线输出端每比特噪声平均功率 -124 dBm接收机噪声系数 8 dB射频子系统输出端每比特噪声平均功率 -116 dBm射频子系统输出端信噪比 52.84 dB需要的信噪比 7.5 dB实现损耗 4 dB链路余量 41.34 dB最小接收机灵敏度 -105.5 dBm

系统发射模块的电路结，包括射频、中频和基带处理三个部分。为了与大多数商用基带芯片兼容。考虑到级联的稳定性和系统扩展性能的需要，在级联之间加入一个24GHz的开关；天线部分采用喇叭天线以获得更大的增益。

系统接收模块电路，包括射频、中频和基带处理三个部分。其中射频部分包含频率源、混频器、低噪声放大器、天线四个部分。低噪声放大器用于将接收的微弱信号放大，要求有较低的噪声系数，由于单片低噪声放大器增益有限，故采用两片级联的方式，为了避免级联引起震荡，在级联时引入适量的衰减。中频处理模块将中频信号通过I、Q两路混频到基带处理部分，便于与商用基带芯片互联。

24GHz短距离无线通信演示系统通过将射频前端与商用基带模块互联，实现室内、室外大于10Mbps的无线通信传输。24GHz点对点实验演示系统中，两个多媒体终端（台式机）采用自主研发的24GHz射频前端系统，结合商用基带模块，实现不小于10Mbps无线传输带宽的高速信息传输。

文章来源：《传感技术学报》 网址: http://www.cgjsxb.cn/qikandaodu/2021/0626/448.html