5.8ghz多普勒雷达系统设计与整合.pdf-资料库

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國立交通大學電機學院電信學程碩士論文 5.8GHz 都卜勒雷達系統設計與整合 Design and integration of 5.8GHz Doppler Radar System 研究生：李文龍指導教授：鍾世忠博士中華民國一百年三月

5.8GHz 都卜勒雷達系統設計與整合 Design and integration of 5.8GHz Doppler Radar System 研究生：李文龍 Student：Wen-Lung Lee 指導教授：鍾世忠博士 Advisor：Dr.Shyh-Jong Chung 國立交通大學電機學院電信學程碩士論文 A Thesis Submitted to College of Electrical and Computer Engineering National Chiao Tung University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Communication Engineering March 2011 Hsinchu, Taiwan, Republic of China 中華民國一百年三月

5.8GHz 都卜勒雷達系統設計與整合研究生：李文龍指導教授：鍾世忠博士國立交通大學電機學院電信學程碩士班摘要本篇論文在研製一個 5.8GHz 都卜勒雷達系統的前端電路，其電路架構具有簡單化、縮小化、低成本及低消耗功率之優點。利用都卜勒效應來偵測物體的移動速率，並使用分合波器來完成單一天線的發射與接收信號不需外加環形器。其錐形天線陣列的天線增益為 8dBi，傾斜角為 50 度(水平仰角為 40 度)，半功率波束為 40 度。5.8GHz 都卜勒雷達系統的前端電路，包括 5.8GHz 壓控振盪器、混波器、天線陣列、中頻放大器等，來完成此電路設計，並將此雷達安裝於車輛的底部進行測試，最後用示波器和數位訊號處理器(DSP)，來量測此收發機的特性，可以清楚的接收到目標物所反彈回的都卜勒信號。 i

Design and integration of 5.8GHz Doppler Radar System Student: Wen-Lung Lee Adivisor: Dr. Shyh-Jong Chung Degree Program of Electrical and Computer Engineering National Chiao Tung University Abstract In this thesis, a 5.8GHz Doppler radar system has been developed. The advantages of the radar were simple, compact size, low cost and low power consumption. The hybrid mixer with particular characteristic of passing LO power to antenna port is proposed to provide the velocity for a moving target, which the transmitted radar signal and the received echo signal pass through the same antenna with no circulator. Taper antenna array has 50degree tilt-beam (40degree from horizontal plane), 8dBi gain, 40degree Half Power Beam-width (HPBW). This 5.8GHz Doppler radar consist of the 5.8GHz voltage control oscillator (VCO), hybrid mixer, antenna array and IF amplifiers which has been design to accomplish 5.8GHz Doppler radar system. The radar is demonstrated in the car to measured its performances. Finally, the designed Doppler radar transceiver is measured by an Oscilloscope and Digital Signal Processing (DSP). ii

誌謝首先要感謝我的指導教授-鍾世忠博士在碩士班其間求學與研究的路上給我很大的學習空間,並且在需要的時候給我專業的指導與提醒，讓我可以一步一步地克服研究中所遇到的困難，實在讓我受益良多。感謝口試委員唐震寰教授、和楊育群博士百忙之中撥空參加學生的口試，並給學生的研究論文中需要改進的地方，詳加指出。另外要感謝實驗室的學長姊：丹雄、侑信、菁偉、肇堂、凱哥、達叔、少華、浩宇給我的幫助與建議，讓我在學習上有更多的助力。同時還要感謝實驗室的成員：柯柯、志謙、珮華、雷達組：阿甘、豪哥、益吉與硯澤，以及所有幫助過我的人等對我的指導與幫助。同時也要感謝公司同事對我的幫助，包含我的老闆-甲文，志銘、敏雄、清文、宇帆、任為、資鑫和珀彥等同事，讓此收發機的各元件可以得到驗證。最後要感謝父母親對我的養育之恩，岳父母、哥哥、弟弟、老婆以及小孩的支持，特別要感謝我的老婆-秉樺，有她一路上的支持與付出，讓我無後顧之憂可以專心的研究。感謝所有幫助過我的人，此論文才得以順利完成。李文龍 2011/3 於交通大學阿彌陀佛 iii

目錄中文摘要 ……………………………………………………………………………………i 英文摘要……………………………………………………………………………………ii 誌謝 ………………………………………………………………………………………iii 目錄…………………………………………………………………………………………iv 圖目錄 ………………………………………………………………………………………v 表目錄 ……………………………………………………………………………………vii 第一章緒論…………………………………………………………………………………1 第二章雷達系統……………………………………………………………………………3 2.1 雷達基本理論……………………………………………………………………3 2.2 雷達的分類………………………………………………………………………5 2.3 都卜勒雷達系統架構……………………………………………………………8 第三章微波電路之設計基礎理論 ………………………………………………………10 3.1 振盪器原理 ……………………………………………………………………10 3.2 混波器原理 ……………………………………………………………………14 3.3 天線陣列原理 …………………………………………………………………17 第四章模擬，實作與測量…………………………………………………………………27 4.1 振盪器模擬，實作與測量………………………………………………………27 4.2 混波器模擬，實作與測量………………………………………………………31 4.3 天線陣列模擬，實作與測量……………………………………………………33 4.4 中頻放大器實作與測量 ………………………………………………………38 4.5 收發機整合及量測 ……………………………………………………………42 第五章結論 ………………………………………………………………………………52 參考文獻 ……………………………………………………………………………………A iv

圖目錄圖 1.1 行駛的視野圖……………………………………………………………………… 2 圖 2.1 (a)脈衝波雷達與(b)FMCW 雷達………………………………………………… 5 圖 2.2 車子(a)遠離 (b)接近狀態下的都卜勒效應…………………………………… 6 圖 2.3 FMCW 雷達系統傳送與接受示意 ……………………………………………… 7 圖 2.4 都卜勒雷達系統方塊圖…………………………………………………………… 8 圖 2.5 5.8GHz 都卜勒雷達的架構 ……………………………………………………… 8 圖 2.6 都卜勒雷達的應用………………………………………………………………… 9 圖 2.7 測速照相相對位置圖……………………………………………………………… 9 圖 3.1 振盪器架構示意圖 ……………………………………………………………… 10 圖 3.2 振盪器的組態分類 ……………………………………………………………… 11 圖 3.3 單埠負阻振盪電路 ……………………………………………………………… 12 圖 3.4 平衡式混波器電路 ……………………………………………………………… 14 圖 3.5 平衡式混波器電路訊號分析 …………………………………………………… 17 圖 3.6 矩形微帶貼片天線模型 ………………………………………………………… 18 圖 3.7 貼片天線輻射場型 ……………………………………………………………… 22 圖 3.8 貼片天線輻射場型 ……………………………………………………………… 23 圖 3.9 兩埠饋入微帶天線之傳輸線等效模 …………………………………………… 24 圖 3.10 天線陣列………………………………………………………………………… 25 圖 4.1 壓控震盪器電路圖 ……………………………………………………………… 27 圖 4.2 壓控震盪器實體電路圖 ………………………………………………………… 27 圖 4.3 輸入阻抗之實部與虛部模擬圖 ………………………………………………… 28 圖 4.4 輸出頻率與電壓關係圖 ………………………………………………………… 28 圖 4.5 輸出頻率與功率量測圖 ………………………………………………………… 29 圖 4.6 Phase Noise 的量測圖 ………………………………………………………… 29 圖 4.7 輸出 Harmonics 的量測圖……………………………………………………… 30 圖 4.8 混波器電路圖 …………………………………………………………………… 31 圖 4.9 混波器實體電路圖 ……………………………………………………………… 31 圖 4.10 中頻量測圖……………………………………………………………………… 32 圖 4.11 天線陣列布局圖………………………………………………………………… 33 圖 4.12 天線陣列實體電路圖…………………………………………………………… 33 圖 4.13 天線陣列模擬圖………………………………………………………………… 34 v

圖 4.14 天線陣列場型模擬圖…………………………………………………………… 34 圖 4.15 反射損耗模擬與量測比較圖…………………………………………………… 35 圖 4.16 輻射場型模擬與量測比較圖…………………………………………………… 35 圖 4.17 天線陣列加 Acry 實體圖…………………………………………………………36 圖 4.18 天線陣列加 Acry 輻射場型量測圖………………………………………………36 圖 4.19 加 Acry 輻射場型量測比較圖……………………………………………………37 圖 4.20 中頻放大器電路圖……………………………………………………………… 38 圖 4.21 DC 轉換量測圖……………………………………………………………………38 圖 4.22 中頻放大器實體電路圖………………………………………………………… 39 圖 4.23 中頻放大器輸入與輸出量測圖………………………………………………… 39 圖 4.24 5.8GHz 都卜勒雷達架構圖 …………………………………………………… 40 圖 4.25 5.8GHz 都卜勒雷達訊號分布圖 ……………………………………………… 40 圖 4.26 都卜勒雷達模擬接收功率圖…………………………………………………… 41 圖 4.27 Spectrum 量測架設圖 …………………………………………………………… 42 圖 4.28 Spectrum 量測圖 ………………………………………………………………… 43 圖 4.29 DSP 量測架設圖 ………………………………………………………………… 45 圖 4.30 DSP 量測圖 ……………………………………………………………………… 49 圖 4.31 Spectrum 量測圖 ………………………………………………………………… 50 圖 4.32 DSP 量測圖 ……………………………………………………………………… 50 vi

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