射频工程师：纯手工打造的S波段雷达系统

此文主要面向电子DIY爱好者，以及像我一样的射频领域初学者，重点在于分享自己在制作 程中的收获与体会，方便与更多朋友交流制作过程中的经验与不足。并使制作这部雷达的爱好者可以用更低的成本，实现同样甚至更好的制作效果。在设计过程中，我参考了一些网络现有的电路及系统设计，公开课是我们学习其他领域知识的一个很不错的途径。如果你是一个新手，在本文中可以了解到在简易雷达制作过程中所需要的工具、设备、相关基础知识，按照要求购置元器件、连接电路，之后就可以了解s波段雷达的基本运行方式了。如果你是一个老手，那么本文所阐述的设计过程和思路也可以作为学习交流之用。笔者更希望各位能对我的设计多多指教，批评指正！

雷达，是英文Radar的音译，是radio detection and ranging的缩写，意思是“使用电磁波进行探测和测距”。一提到雷达，大多数人想到的是阅兵式上及各大影视作品中的大型抛物面天线以及不断扫描的R型显示器，很有种“高大上”的感觉。其实，只要理解了雷达的原理，我们也可以利用手边的万能板与电阻、电容，焊出采用标准雷达架构的S波段雷达，并实现对车辆、行人，甚至无人机的精确测距与测速。笔者DIY的用于实验的雷达如图1所示。

图1、雷达的整体效果图

整体的设计思路

我们在初中物理课学过，随着火车的接近到远离过程，在地面上的人听到的火车运行声音的频率也会发生变化，这就是多普勒频移。如果我们向一个目标发射电磁波，这个目标也在运动，那么运动的目标就会对电磁波产生影响，即改变反射回来的电磁波的频率，频率的变化程度就反应了这个目标运动有多快，而从发射到接收电磁波的时间也就决定了目标距离雷达的距离。如果我们能够把这个频率变化和发射、反射时间提取出来，也就能够实现无线电测距、测速！

其实，以DIY爱好者手中的装备，做出一部探测雷达并不是很难。首先，我们查阅网络上的资料，了解到雷达是由如图2所示的几个部分组成。

图2、连续波雷达原理图

简化后，我们发现雷达分为微波信号源、功分器、混频器、高频放大器、收发天线、低频放大器及滤波器、A/D转换模块，想要一次性完成这些模块难度确实比较大，所以要先归纳总结一下。我们将这个雷达系统分为以下3个模块进行设计。

(1)高频电磁波模块。首先确定雷达的工作频率和发射功率。再搜罗比较容易获得的高频元器件。器件购置完毕后，寻找与其工作频率相同的天线，将电磁波发射出去，并接收到电磁波遇到物体反射回来的回波。通过一个混频器来比较发射信号和接受信号之间的频率变化，这个频率变化输入到低频模拟信号部分进行处理。

(2)中频信号处理模块。利用低噪声运放搭建出放大器、滤波器，对混频器输出的小信号进行放大。通过简单的计算得知，多普勒频移大约为v×cosθ/λ，v是我们准备测量目标的运动速度，λ是我们发射的电磁波的波长，θ是电磁波与物体的运动速度与移动台运动方向的夹角。我们假设波长为1cm ～1m (这个波长长度涵盖了300MHz～30GHz的信号，我们有充足的选择空间)，v为1～50m/s(涵盖了从行人、汽车到无人机的速度)。

(3)电源、传输线及支撑模块。为整个系统设计功率符合要求的电源模块，界面简单、操作性强的传输线/控制模块，以及整个系统的支撑模块。

高频电磁波模块的设计

首先，要确定雷达的工作频率，雷达频率是雷达发射机产生的功率电磁波信号在未受调制前的频率，也称为发射信号的载频频率。

发射电磁波，特别是高频信号要遵循两个原则：(1)必须在相关规定允许的频率范围内发射信号，不能干扰其他民用设备的运行。(2)2.4GHz免执照频段应用的发射功率应小于100mW，当天线增益高于10dBi时，其等效功率不大于500mW。我们选用14dBi的天线，因此，要通过等效计算，得到其对应的功率值，并将其限制在指定的范围内。

因此，我选择了市售的射频压控振荡器ZX95-2536C-S+，它可以产生2300～2500MHz的高频信号，通过改变其调制电压的大小，就可以改变输出频率。以它为源头，对高频信号进行处理。根据原理框图描述，我们还需要购买与其频率相对应的功率分配器、射频放大器、混频器等相关的元器件。

但是，查阅说明书，VCO的输出功率为6dBm，射放的放大参数为13～14dBm，天线的增益为14dBi，实际上输出功率已大于免执照功率，因此，我们要增加一个衰减器VAT-3，使其发射功率降低到规定功率之下，虽然这会降低雷达的威力范围，但是，一切涉及无线电接收发射，特别是无线电发射的部分，一定要查阅有关规定，严格按照国家规定的幅度和频率范围进行发射。

射频部分设计的关键在于选择符合要求的市售元器件模块。由于射频系统制作工艺要求较高，如需要自己动手制作，需要使用价格昂贵的网络分析仪、频谱分析仪、射频信号源进行调试，所以这一部分可能选择寿命长，稳定性好的元器件，并在通电前进行仔细检测，避免烧坏元器件造成成本上升。建议在条件允许的前提多买几个VCO、高放，这些器件容易烧坏，其余的混频器，功分器，衰减器及连接件均按正常数量购买(见图3)。

图3、高频电磁波模块中的微波元器件

关于发射及接收天线部分，由于我们采用了ISM波段的信号，市售Wi-Fi天线均能满足我们的需求，因此，我选择了能够买到的。最大增益系数的天线，并购买了相应的馈线。注意，购买或制作馈线时，一定要注意匹配阻抗有50Ω和75Ω两种，这里推荐使用5OΩ的馈线，可以减少电磁波在传输过程中的损失(见图4～图9)。

图4、高频电磁波模块中的天线

图5、天线部分的改造，使用了废旧的支架和连接件

图6、连接器中心的铜柱即为馈点

图7、天线馈线的改造，天线馈线为内螺内孔，而高频模块为外螺内孔，需要用两个连接器连接

图8、4种连接器的接头形式

图9、馈线部分的改造，增加了两个连接器。用来连接天馈线系统和高频系统

最终，混频器会检测发射及接收电磁波的频率关系，将反应频率差异的信号以电压信号的形式输出(见图10)。这一信号包含了我们所需要的目标距离和速度的信息，是整部雷达的关键信号，在传输过程中，我们一定要减少这一信号的传输损耗，以及无屏蔽信号传输线的长度，尽可能避免各种噪声信号对它的干扰。因此，我选择用带屏蔽网的SMA接头传输线传递这一信号，并在万能板上焊接一个SMA接头。

图10、混频器的出口，从这个端口输出信号给中频处理模块

中频信号处理模块的设计

中频信号处理部分分为两个方面，首先是调制高频VCO信号产生电路，其次是对混频器输出信号的滤波放大电路。

首先，我们考虑信号产生电路。为了确保射频元器件不被烧坏，我们一定要仔细检查输入信号的电压幅值，因为整个雷达系统成本的85%都在射频器件上，一旦烧坏，对自己的预算来说，是很大的损失。中频信号部分的布线与连接见图11～图14。

图11、中频部分的电路

图12、使用了一个航空插头，这个插头为总插头，是整个系统唯一的接口，焊接时要特别小心，等到确定牢固了之后再套热缩管

图13、高频部分与中频部分的连接是通过一组SMA接口来完成的

图14、布线要尽可能规整，必要的时候使用捆扎带以及连接器

查阅ZX95-2536C-S+的说明书，我们可以得到它的极限参数，也就是一条不能逾越的“红线”(见图15)。

图15、ZX95-2536C-S+的极限参数

为了确保这一“红线”不被逾越，我们的信号产生电路要能够控制信号的幅度和频率。相关的电路原理图见图16。

图16、基于XR2206的信号产生电路

紧接着，我们考虑混频器输出信号的滤波放大电路，由于电路设计的原因，以及混频器内部产生的无用信号，我们的输出信号存在一系列无用的噪声。而在前面我们通过计算得知，我们要的信号频率大约在几十至几百赫兹，因此，我们需要设计一个低通滤波放大电路，对其进行放大滤波，这里采用了一个基于MAX414CPD+的设计方案，相关的电路见图17。

图17、基于MAX414CPD+的滤波放大电路

我们通过一条3.5mm音频线将处理后的信号输入笔记本电脑，并用录音软件Cool Edit来进行A/D转换，这就省去了自己制作A/D模块的麻烦。

软件部分设计

硬件是我们实现DIY功能所必须的装备，而软件则是“主内”的核心，缺了硬件，雷达就失去了工作的基础，而没了软件，雷达就没有了工作的灵魂。接下来，我们要通过MATLAB软件程序，成为一名“信号数学家”，从不断变化的信号中，提取出目标的距离、速度以及其他信息。

在A/D变换后，我们的程序就会对变换后的数字波形进行读取与处理。考虑到有些朋友不太熟悉程序设计，为了不影响大家对原理的理解，笔者在代码中加上了较多的中文注释，将程序整段复制入MATLAB，设置好wavread函数中的文件地址，就可以直接单击运行，然后等待软件的处理结果。

图18所示是我与好友共同配合完成的测距实验。实验过程中，我负责操作雷达，好友在100m直线跑道上进行匀速折返运动，跑到距离雷达40m处的标记后再折返，经过处理即得到了探测的图像结果，见图19、图20。

图18、测试现场

图19、对行人的测距测速结果

图20、用Cool Edit软件录取的实际回波，回波的起伏代表多普勒频移

整体系统的效果及设计心得

介绍了很多专业范畴的内容之后，我利用从损坏台灯上拆下来的零件作为天线的支撑部分，而整机外壳用废旧的乐高积木拼搭而成，连线器采用的是装修剩下的点灯用的连线器，开关也是利用拆下来的开关。

DIY的乐趣，就在于可以在一个固定的电子系统中，倾注自己对于设计的看法、理想甚至感情。可以在充分发挥想象力和动手能力的同时，学到很多实际的经验，也可以借此机会与很多志同道合的爱好者进行交流，使书本上的知识“3D打印”到现实生活中，所以，一旦有了理想，一定要想办法去实现它。