一种FMCW式微波测距系统的射频子系统的制作方法

本实用新型涉及微波技术领域，尤其是一种FMCW式微波测距系统的射频子系统。

背景技术：

非接触式测量仪表具有安装调试方便、成本低、测量精度高等突出优势，正在快速取代旧的接触式测量仪表。雷达式物位测量仪是一种较为典型的非接触式测量仪表，可以用于测量工业现场的液位或料位的高度。传统的雷达式物位测量仪基于脉冲式微波测距系统，具有结构简单、技术难度低以及成本低的优势，但是脉冲式微波测距系统的使用场合限制较多、易受干扰而且不适用大量程使用。作为改进，现在的雷达式物位测量仪会基于FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave，调频连续波)式微波测距系统，相对于脉冲式微波测距系统具有更好的性能和现场适应性，测量精度、抗干扰性和适应复杂应用环境的能力更强。

FMCW式微波测距系统不同于根据收发脉冲时间间隔来估算距离的脉冲式微波测距系统，其发射经过连续的三角波或锯齿波调制的射频信号并接收被反射信号，对发射的射频信号和接收到的被反射信号比对后得出距离数据。 FMCW式微波测距系统的测距精度与调制的发射信号的线性度紧密相关，常规的FMCW式微波测距系统采用开环工作方式，调制的发射信号的线性度表现不够优异，因此测距精度还有待进一步优化。

技术实现要素：

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种FMCW式微波测距系统的射频子系统，该系统采用闭环式的信号发生方式，使得系统线性度大幅提高，从而提高测距精度，同时间歇式供电控制电路和散热结构的设计可以使得该系统在温度较高的工业应用环境中保持良好的可靠性。

本实用新型的技术方案如下：

一种FMCW式微波测距系统的射频子系统，FMCW式微波测距系统包括天线组件、信号处理子系统和射频子系统，射频子系统分别连接信号处理子系统和天线组件，该射频子系统包括：微控制器、闭环信号发生电路、环形电路、混频器、有源滤波电路以及间歇式供电控制电路，微控制器连接闭环信号发生电路，闭环信号发生电路分别连接环形电路和混频器，环形电路连接混频器，环形电路还用于连接天线组件，混频器连接有源滤波电路，有源滤波电路用于连接信号处理子系统；微控制器连接并控制间歇式供电控制电路，间歇式供电控制电路连接闭环信号发生电路并为闭环信号发生电路、环形电路、混频器以及有源滤波电路供电；

闭环信号发生电路包括频率合成器、无源滤波器、压控振荡器和晶体振荡器，压控振荡器内置分频器，晶体振荡器连接频率合成器，频率合成器连接无源滤波器，无源滤波器连接压控振荡器，压控振荡器内置的分频器连接频率合成器形成闭环结构，频率合成器用于连接微控制器，压控振荡器用于连接环形电路和混频器。

其进一步的技术方案为，环形电路包括环形器、第一功分器、第二功分器、第三功分器和负载器件，环形器分别连接第一功分器和第二功分器，第一功分器分别连接第三功分器和负载器件，第二功分器连接第三功分器并用于连接天线组件，第三功分器用于连接混频器，环形器用于连接压控振荡器。

其进一步的技术方案为，微控制器采用型号为STM8S003F3T6的单片机。

其进一步的技术方案为，射频子系统承载在PCB板上，PCB板在频率合成器的设置位置处开设导热过孔，金属散热块固定在PCB板的导热过孔处对频率合成器进行散热。

本实用新型的有益技术效果是：

本申请公开了一种FMCW式微波测距系统的射频子系统，该射频子系统包括高线性度闭环信号发生电路、微控制器、环行电路、混频器、有源滤波电路和间歇式供电控制电路六部分。频率合成器与压控振荡器作为核心组件组成闭环信号发生电路，有别于开环式的微波信号发生方式，采用闭环式的微波信号发生方式可以使得系统线性度大幅提高，所设计的混频器与有源滤波电路进一步提高了信噪比，使得测距精度可以达到更高。

另外，本申请从电气和结构两方面进行了散热设计，间歇式供电控制电路和金属散热块的设计有效降低了该系统的核心器件频率合成器的温度，一定程度上克服了FMCW式微波测距系统发热量较高的固有缺陷，在实现系统测距功能的同时，可以减少能耗并降低器件温度，从而使整个系统在温度较高的工业应用环境中仍能保持良好的可靠性并提高使用寿命。

附图说明

图1是本申请公开的射频子系统的电路结构图。

图2是本申请中的闭环信号发生电路的电路结构图。

图3是本申请中的环形电路的电路结构图。

图4是本申请公开的射频子系统的装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

FMCW式微波测距系统通常包括三部分：天线组件、信号处理子系统和射频子系统，射频子系统主要负责进行信号的发射和接收，信号处理子系统负责进行数字信号处理，射频子系统分别连接信号处理子系统和天线组件。本申请对于其中的射频子系统进行了改进，公开了一种全新的FMCW式微波测距系统的射频子系统，请参考图1，该射频子系统包括：微控制器、闭环信号发生电路、环形电路、混频器、有源滤波电路以及间歇式供电控制电路。

微控制器连接闭环信号发生电路，闭环信号发生电路分别连接环形电路和混频器，环形电路连接混频器，环形电路还用于连接外部的天线组件。混频器连接有源滤波电路，有源滤波电路用于连接外部的信号处理子系统。微控制器连接并控制间歇式供电控制电路，间歇式供电控制电路连接闭环信号发生电路并为闭环信号发生电路、环形电路、混频器以及有源滤波电路供电；

微控制器是该射频子系统的控制中心，其用于对系统中的各部分电路进行总体控制，本申请中的微控制器采用低成本的型号为STM8S003F3T6的单片机实现。

闭环信号发生电路是该射频子系统的核心部分，其采用闭环结构，以频率合成器为核心。如图2所示，闭环信号发生电路包括频率合成器、无源滤波器、压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator，VCO)和晶体振荡器。压控振荡器内置分频器，晶体振荡器连接频率合成器，频率合成器连接无源滤波器，无源滤波器连接压控振荡器，压控振荡器内置的分频器连接频率合成器形成闭环结构，频率合成器用于连接外部的微控制器，压控振荡器用于连接外部的环形电路和混频器。本申请中的频率合成器采用ADI公司的型号为ADF4158的频率合成器，无源滤波器为低通滤波器，无源滤波器、压控振荡器和晶体振荡器的具体型号可以由本领域技术人员自行根据电路需要配置，本申请仅公开电路结构及原理，对具体型号不做限定。

本申请中的环形电路和混频器是一体设计的无源电路，具体的，环形电路使用了三个功分器，请参考图3，环形电路包括环形器、第一功分器、第二功分器、第三功分器和负载器件，这里的负载器件可以是任意作为负载的电子元件。环形器分别连接第一功分器和第二功分器，第一功分器分别连接第三功分器和负载器件，第二功分器连接第三功分器并用于连接天线组件，第三功分器用于连接混频器，环形器用于连接压控振荡器。

有源滤波电路选用低噪声放大器为核心设计有源高通滤波器，以滤除混频器生成的中频信号中的干扰，由于中频信号非常微弱，难以直接使用信号处理子系统的AD转换器采样，因此中频信号在滤波的同时必须被放大，因此本申请中的有源滤波电路采用两级简单滤波器结构，即采用依次连接的第一级放大器、无源高通滤波器和第二级放大器级联的结构，本申请中的两级放大器采用型号为ADA4084-2的低噪声放大器，第一级放大器放大25倍，第二级放大器放大60倍，无源高通滤波器采用三阶结构以满足合适的滚降系数。使用低噪声的ADA4084-2配合低阻抗的电阻设计，使得该有源滤波电路本身在输出端产生的总噪声低于3mV，对整个系统的测量精度的影响可以忽略。

间歇式供电控制电路用于为射频子系统中除微控制器以外的其他电路和器件供电，本申请中，间歇式供电控制电路在微控制器控制下工作，其具体的供电方式受微控制器的控制，但其核心工作过程为：微控制器的脉冲到来时，间歇式供电控制电路为除微控制器以外的其他电路和器件供电；微控制器的脉冲消失时，间歇式供电控制电路停止为除微控制器以外的其他电路和器件供电。间歇式供电控制电路是目前较为常用的一种电路，具有较多的电路实现方式，电路结构虽然不尽相同，但工作原理都是类似的，本领域技术人员可以参考现有技术确定其电路实现方式。

实际实现时，该射频子系统承载在PCB板(Printed Circuit Board，印刷电路板)上，也即微控制器、闭环信号发生电路、环形电路、混频器、有源滤波电路以及间歇式供电控制电路都设置在PCB板上，并通过PCB布设的线路结构构成该系统的电路结构。在该系统中，频率合成器为发热最大的组件，因此如图4所示，PCB板1在频率合成器2的设置位置处开设导热过孔(图中未示出导热过孔)，金属散热块3固定在PCB板的导热过孔处，也即固定在频率合成器2的背面，从而对频率合成器2进行散热。金属散热块3可以采用铝合金散热块，金属散热块3可以通过螺钉4固定在PCB板上，图4未示出该射频子系统中的其他器件。

本申请公开的射频子系统的工作原理如下：

根据不同应用场合，微控制器确定间歇式供电控制电路的供电时间，进而确定输出给间歇式供电控制电路的脉冲的占空比，按照该占空比向间歇式供电控制电路输出脉冲：

第一种情况：脉冲到来时，间歇式供电控制电路为闭环信号发生电路、环形电路、混频器以及有源滤波电路供电，这四部分电路开始工作。

此时，微控制器向闭环信号发生电路写入FMCW调制信号的周期和波形信息。闭环信号发生电路中的频率合成器不断接收从微处理器发来的信息，发出的cp电流信号变成电压信号后，电压信号经无源滤波器送入压控振荡器，压控振荡器输出的频率一方面发送出去，另一方面通过设置好的内置的分频器将频率信号分频后返回给频率合成器，压控振荡器返回的信号与晶体振荡器产生的信号一起经过频率合成器内部的鉴频鉴相器处理后自动调整cp电流信号的输出，形成完整的闭环。压控振荡器采用三角波调制方式来调制需要发送出去的输出频率，本申请中三角波的频率取100Hz，三角波的线性度由频率合成器为核心组成的闭环结构来决定，只要以合适的方式和周期从微处理器向频率合成器写入频率信息，辅以合适的无源滤波器，该闭环结构就能稳定工作，从而生成高线性度的信号。

压控振荡器输出的信号进入环形电路中的环形器后分成两路相位差180°的信号，第一路信号通过第二功分器从收发一体端口发射出去至天线，第二路信号通过第一功分器被负载器件吸收。由于第一路信号通过第二功分器泄漏到第三功分器的信号与第二路信号通过第一功分器泄漏到第三功分器的信号幅度相等、相位相反，因此在送入混频器的信号中可以完全抵消进入环形器的信号的影响。

同时，来自天线的回波信号经过环形电路隔离后定向至混频器，回波信号通过第二功分器和第三功分器后定向至混频器。同时闭环信号发生电路中的压控振荡器生成解调所需的本振信号并发送给混频器，混频器对回波信号和本振信号混合以生成差拍中频信号，虽然本振信号和回波信号都来自于闭环信号发生电路，但由于回波信号传播距离较长，在传播过程中，闭环信号发生电路的调频频率不断改变，故本振信号与回波信号具有不同频率，因此差拍中频信号频率就是本振信号和回波信号的频率差，可以理解，闭环信号发生电路的线性度指标直接决定了差拍中频信号的精度，而差拍中频信号包含的主要信息就是距离。差拍中频信号经过有源滤波电路，有源滤波电路对差拍中频信号进行滤波操作，滤除差拍中频信号中调制三角波和其他信号的干扰后送入信号处理子系统处理。

第二种情况：脉冲消失时，间歇式供电控制电路停止为闭环信号发生电路、环形电路、混频器以及有源滤波电路供电，这四部分电路关断，停止工作以节省能耗并降低发热。

间歇式供电控制电路的设计可以一定程度上克服FMCW工作模式较脉冲工作模式发热量大的缺点。但是在一些极端情况下需要对距离进行不间断测量的场合，因此微控制器输出给间歇式供电控制电路的脉冲的占空比会达到 100％。高占空比下势必系统发热严重，因此本申请还在装配结构上采取了散热措施。在发热最大的频率合成器处设置金属散热块来吸收热量，不需要其他散热措施，也不需要把散热块的热量通过其他物体导出到课外，即能在超过60℃的环境温度下将频率合成器的温升控制在20℃范围内，确保其工作在允许工作温度范围内。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。