此文主要面向電子DIY愛好者，以及像我一樣的射頻領(lǐng)域初學(xué)者，重點在于分享自己在制作程中的收獲與體會，方便與更多朋友交流制作過程中的經(jīng)驗與不足。并使制作這部雷達的愛好者可以用更低的成本，實現(xiàn)同樣甚至更好的制作效果。在設(shè)計過程中，我參考了一些網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的電路及系統(tǒng)設(shè)計，公開課是我們學(xué)習(xí)其他領(lǐng)域知識的一個很不錯的途徑。如果你是一個新手，在本文中可以了解到在簡易雷達制作過程中所需要的工具、設(shè)備、相關(guān)基礎(chǔ)知識，按照要求購置元器件、連接電路，之后就可以了解s波段雷達的基本運行方式了。如果你是一個老手，那么本文所闡述的設(shè)計過程和思路也可以作為學(xué)習(xí)交流之用。筆者更希望各位能對我的設(shè)計多多指教，批評指正！

雷達，是英文Radar的音譯，是radio detection and ranging的縮寫，意思是“使用電磁波進行探測和測距”。一提到雷達，大多數(shù)人想到的是閱兵式上及各大影視作品中的大型拋物面天線以及不斷掃描的R型顯示器，很有種“高大上”的感覺。其實，只要理解了雷達的原理，我們也可以利用手邊的萬能板與電阻、電容，焊出采用標(biāo)準(zhǔn)雷達架構(gòu)的S波段雷達，并實現(xiàn)對車輛、行人，甚至無人機的精確測距與測速。筆者DIY的用于實驗的雷達如圖1所示。

圖1、雷達的整體效果圖

整體的設(shè)計思路

我們在初中物理課學(xué)過，隨著火車的接近到遠離過程，在地面上的人聽到的火車運行聲音的頻率也會發(fā)生變化，這就是多普勒頻移。如果我們向一個目標(biāo)發(fā)射電磁波，這個目標(biāo)也在運動，那么運動的目標(biāo)就會對電磁波產(chǎn)生影響，即改變反射回來的電磁波的頻率，頻率的變化程度就反應(yīng)了這個目標(biāo)運動有多快，而從發(fā)射到接收電磁波的時間也就決定了目標(biāo)距離雷達的距離。如果我們能夠把這個頻率變化和發(fā)射、反射時間提取出來，也就能夠?qū)崿F(xiàn)無線電測距、測速！

其實，以DIY愛好者手中的裝備，做出一部探測雷達并不是很難。首先，我們查閱網(wǎng)絡(luò)上的資料，了解到雷達是由如圖2所示的幾個部分組成。

圖2、連續(xù)波雷達原理圖

簡化后，我們發(fā)現(xiàn)雷達分為微波信號源、功分器、混頻器、高頻放大器、收發(fā)天線、低頻放大器及濾波器、A/D轉(zhuǎn)換模塊，想要一次性完成這些模塊難度確實比較大，所以要先歸納總結(jié)一下。我們將這個雷達系統(tǒng)分為以下3個模塊進行設(shè)計。

(1)高頻電磁波模塊。首先確定雷達的工作頻率和發(fā)射功率。再搜羅比較容易獲得的高頻元器件。器件購置完畢后，尋找與其工作頻率相同的天線，將電磁波發(fā)射出去，并接收到電磁波遇到物體反射回來的回波。通過一個混頻器來比較發(fā)射信號和接受信號之間的頻率變化，這個頻率變化輸入到低頻模擬信號部分進行處理。

(2)中頻信號處理模塊。利用低噪聲運放搭建出放大器、濾波器，對混頻器輸出的小信號進行放大。通過簡單的計算得知，多普勒頻移大約為v×cosθ/λ，v是我們準(zhǔn)備測量目標(biāo)的運動速度，λ是我們發(fā)射的電磁波的波長，θ是電磁波與物體的運動速度與移動臺運動方向的夾角。我們假設(shè)波長為1cm ～1m (這個波長長度涵蓋了300MHz～30GHz的信號，我們有充足的選擇空間)，v為1～50m/s(涵蓋了從行人、汽車到無人機的速度)。

(3)電源、傳輸線及支撐模塊。為整個系統(tǒng)設(shè)計功率符合要求的電源模塊，界面簡單、操作性強的傳輸線/控制模塊，以及整個系統(tǒng)的支撐模塊。

高頻電磁波模塊的設(shè)計

首先，要確定雷達的工作頻率，雷達頻率是雷達發(fā)射機產(chǎn)生的功率電磁波信號在未受調(diào)制前的頻率，也稱為發(fā)射信號的載頻頻率。

發(fā)射電磁波，特別是高頻信號要遵循兩個原則：(1)必須在相關(guān)規(guī)定允許的頻率范圍內(nèi)發(fā)射信號，不能干擾其他民用設(shè)備的運行。(2)2.4GHz免執(zhí)照頻段應(yīng)用的發(fā)射功率應(yīng)小于100mW，當(dāng)天線增益高于10dBi時，其等效功率不大于500mW。我們選用14dBi的天線，因此，要通過等效計算，得到其對應(yīng)的功率值，并將其限制在指定的范圍內(nèi)。

因此，我選擇了市售的射頻壓控振蕩器ZX95-2536C-S+，它可以產(chǎn)生2300～2500MHz的高頻信號，通過改變其調(diào)制電壓的大小，就可以改變輸出頻率。以它為源頭，對高頻信號進行處理。根據(jù)原理框圖描述，我們還需要購買與其頻率相對應(yīng)的功率分配器、射頻放大器、混頻器等相關(guān)的元器件。

但是，查閱說明書，VCO的輸出功率為6dBm，射放的放大參數(shù)為13～14dBm，天線的增益為14dBi，實際上輸出功率已大于免執(zhí)照功率，因此，我們要增加一個衰減器VAT-3，使其發(fā)射功率降低到規(guī)定功率之下，雖然這會降低雷達的威力范圍，但是，一切涉及無線電接收發(fā)射，特別是無線電發(fā)射的部分，一定要查閱有關(guān)規(guī)定，嚴格按照國家規(guī)定的幅度和頻率范圍進行發(fā)射。

射頻部分設(shè)計的關(guān)鍵在于選擇符合要求的市售元器件模塊。由于射頻系統(tǒng)制作工藝要求較高，如需要自己動手制作，需要使用價格昂貴的網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀、射頻信號源進行調(diào)試，所以這一部分可能選擇壽命長，穩(wěn)定性好的元器件，并在通電前進行仔細檢測，避免燒壞元器件造成成本上升。建議在條件允許的前提多買幾個VCO、高放，這些器件容易燒壞，其余的混頻器，功分器，衰減器及連接件均按正常數(shù)量購買(見圖3)。

圖3、高頻電磁波模塊中的微波元器件

關(guān)于發(fā)射及接收天線部分，由于我們采用了ISM波段的信號，市售Wi-Fi天線均能滿足我們的需求，因此，我選擇了能夠買到的。最大增益系數(shù)的天線，并購買了相應(yīng)的饋線。注意，購買或制作饋線時，一定要注意匹配阻抗有50Ω和75Ω兩種，這里推薦使用5OΩ的饋線，可以減少電磁波在傳輸過程中的損失(見圖4～圖9)。

圖4、高頻電磁波模塊中的天線

圖5、天線部分的改造，使用了廢舊的支架和連接件

圖6、連接器中心的銅柱即為饋點

圖7、天線饋線的改造，天線饋線為內(nèi)螺內(nèi)孔，而高頻模塊為外螺內(nèi)孔，需要用兩個連接器連接

圖8、4種連接器的接頭形式

圖9、饋線部分的改造，增加了兩個連接器。用來連接天饋線系統(tǒng)和高頻系統(tǒng)

最終，混頻器會檢測發(fā)射及接收電磁波的頻率關(guān)系，將反應(yīng)頻率差異的信號以電壓信號的形式輸出(見圖10)。這一信號包含了我們所需要的目標(biāo)距離和速度的信息，是整部雷達的關(guān)鍵信號，在傳輸過程中，我們一定要減少這一信號的傳輸損耗，以及無屏蔽信號傳輸線的長度，盡可能避免各種噪聲信號對它的干擾。因此，我選擇用帶屏蔽網(wǎng)的SMA接頭傳輸線傳遞這一信號，并在萬能板上焊接一個SMA接頭。

圖10、混頻器的出口，從這個端口輸出信號給中頻處理模塊

中頻信號處理模塊的設(shè)計

中頻信號處理部分分為兩個方面，首先是調(diào)制高頻VCO信號產(chǎn)生電路，其次是對混頻器輸出信號的濾波放大電路。

首先，我們考慮信號產(chǎn)生電路。為了確保射頻元器件不被燒壞，我們一定要仔細檢查輸入信號的電壓幅值，因為整個雷達系統(tǒng)成本的85%都在射頻器件上，一旦燒壞，對自己的預(yù)算來說，是很大的損失。中頻信號部分的布線與連接見圖11～圖14。

圖11、中頻部分的電路

圖12、使用了一個航空插頭，這個插頭為總插頭，是整個系統(tǒng)唯一的接口，焊接時要特別小心，等到確定牢固了之后再套熱縮管

圖13、高頻部分與中頻部分的連接是通過一組SMA接口來完成的

圖14、布線要盡可能規(guī)整，必要的時候使用捆扎帶以及連接器

查閱ZX95-2536C-S+的說明書，我們可以得到它的極限參數(shù)，也就是一條不能逾越的“紅線”(見圖15)。

圖15、ZX95-2536C-S+的極限參數(shù)

為了確保這一“紅線”不被逾越，我們的信號產(chǎn)生電路要能夠控制信號的幅度和頻率。相關(guān)的電路原理圖見圖16。

圖16、基于XR2206的信號產(chǎn)生電路

緊接著，我們考慮混頻器輸出信號的濾波放大電路，由于電路設(shè)計的原因，以及混頻器內(nèi)部產(chǎn)生的無用信號，我們的輸出信號存在一系列無用的噪聲。而在前面我們通過計算得知，我們要的信號頻率大約在幾十至幾百赫茲，因此，我們需要設(shè)計一個低通濾波放大電路，對其進行放大濾波，這里采用了一個基于MAX414CPD+的設(shè)計方案，相關(guān)的電路見圖17。

圖17、基于MAX414CPD+的濾波放大電路

我們通過一條3.5mm音頻線將處理后的信號輸入筆記本電腦，并用錄音軟件Cool Edit來進行A/D轉(zhuǎn)換，這就省去了自己制作A/D模塊的麻煩。

軟件部分設(shè)計

硬件是我們實現(xiàn)DIY功能所必須的裝備，而軟件則是“主內(nèi)”的核心，缺了硬件，雷達就失去了工作的基礎(chǔ)，而沒了軟件，雷達就沒有了工作的靈魂。接下來，我們要通過MATLAB軟件程序，成為一名“信號數(shù)學(xué)家”，從不斷變化的信號中，提取出目標(biāo)的距離、速度以及其他信息。

在A/D變換后，我們的程序就會對變換后的數(shù)字波形進行讀取與處理?？紤]到有些朋友不太熟悉程序設(shè)計，為了不影響大家對原理的理解，筆者在代碼中加上了較多的中文注釋，將程序整段復(fù)制入MATLAB，設(shè)置好wavread函數(shù)中的文件地址，就可以直接單擊運行，然后等待軟件的處理結(jié)果。

圖18所示是我與好友共同配合完成的測距實驗。實驗過程中，我負責(zé)操作雷達，好友在100m直線跑道上進行勻速折返運動，跑到距離雷達40m處的標(biāo)記后再折返，經(jīng)過處理即得到了探測的圖像結(jié)果，見圖19、圖20。

圖18、測試現(xiàn)場

圖19、對行人的測距測速結(jié)果

圖20、用Cool Edit軟件錄取的實際回波，回波的起伏代表多普勒頻移

整體系統(tǒng)的效果及設(shè)計心得

介紹了很多專業(yè)范疇的內(nèi)容之后，我利用從損壞臺燈上拆下來的零件作為天線的支撐部分，而整機外殼用廢舊的樂高積木拼搭而成，連線器采用的是裝修剩下的點燈用的連線器，開關(guān)也是利用拆下來的開關(guān)。

DIY的樂趣，就在于可以在一個固定的電子系統(tǒng)中，傾注自己對于設(shè)計的看法、理想甚至感情。可以在充分發(fā)揮想象力和動手能力的同時，學(xué)到很多實際的經(jīng)驗，也可以借此機會與很多志同道合的愛好者進行交流，使書本上的知識“3D打印”到現(xiàn)實生活中，所以，一旦有了理想，一定要想辦法去實現(xiàn)它。