此文主要面向電子DIY愛好者，以及像我一樣的射頻領域初學者，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，實現同樣甚至更好的制作效果。在設計過程中，我參考了一些網絡現有的電路及系統設計，公開課是我們學習其他領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、設備、相關基礎知識，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計過程和思路也可以作為學習交流之用。筆者更希望各位能對我的設計多多指教，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，焊出采用標準雷達架構的S波段雷達，并實現對車輛、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

整體的設計思路

我們在初中物理課學過，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生變化，這就是多普勒頻移。如果我們向一個目標發射電磁波，這個目標也在運動，那么運動的目標就會對電磁波產生影響，即改變反射回來的電磁波的頻率，頻率的變化程度就反應了這個目標運動有多快，而從發射到接收電磁波的時間也就決定了目標距離雷達的距離。如果我們能夠把這個頻率變化和發射、反射時間提取出來，也就能夠實現無線電測距、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，我們查閱網絡上的資料，了解到雷達是由如圖2所示的幾個部分組成。

圖2、連續波雷達原理圖

簡化后，我們發現雷達分為微波信號源、功分器、混頻器、高頻放大器、收發天線、低頻放大器及濾波器、A/D轉換模塊，想要一次性完成這些模塊難度確實比較大，所以要先歸納總結一下。我們將這個雷達系統分為以下3個模塊進行設計。

(1)高頻電磁波模塊。首先確定雷達的工作頻率和發射功率。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是我們準備測量目標的運動速度，λ是我們發射的電磁波的波長，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。為整個系統設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，以及整個系統的支撐模塊。

高頻電磁波模塊的設計

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

發射電磁波，特別是高頻信號要遵循兩個原則：(1)必須在相關規定允許的頻率范圍內發射信號，不能干擾其他民用設備的運行。(2)2.4GHz免執照頻段應用的發射功率應小于100mW，當天線增益高于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，得到其對應的功率值，并將其限制在指定的范圍內。

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

但是，查閱說明書，VCO的輸出功率為6dBm，射放的放大參數為13～14dBm，天線的增益為14dBi，實際上輸出功率已大于免執照功率，因此，我們要增加一個衰減器VAT-3，使其發射功率降低到規定功率之下，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射，特別是無線電發射的部分，一定要查閱有關規定，嚴格按照國家規定的幅度和頻率范圍進行發射。

射頻部分設計的關鍵在于選擇符合要求的市售元器件模塊。由于射頻系統制作工藝要求較高，如需要自己動手制作，需要使用價格昂貴的網絡分析儀、頻譜分析儀、射頻信號源進行調試，所以這一部分可能選擇壽命長，穩定性好的元器件，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量購買(見圖3)。

圖3、高頻電磁波模塊中的微波元器件

關于發射及接收天線部分，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。最大增益系數的天線，并購買了相應的饋線。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，天線饋線為內螺內孔，而高頻模塊為外螺內孔，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和高頻系統

最終，混頻器會檢測發射及接收電磁波的頻率關系，將反應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距離和速度的信息，是整部雷達的關鍵信號，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計

中頻信號處理部分分為兩個方面，首先是調制高頻VCO信號產生電路，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，因為整個雷達系統成本的85%都在射頻器件上，一旦燒壞，對自己的預算來說，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，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

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

圖16、基于XR2206的信號產生電路

緊接著，我們考慮混頻器輸出信號的濾波放大電路，由于電路設計的原因，以及混頻器內部產生的無用信號，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+的設計方案，相關的電路見圖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轉換，這就省去了自己制作A/D模塊的麻煩。

軟件部分設計

硬件是我們實現DIY功能所必須的裝備，而軟件則是“主內”的核心，缺了硬件，雷達就失去了工作的基礎，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“信號數學家”，從不斷變化的信號中，提取出目標的距離、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字波形進行讀取與處理。考慮到有些朋友不太熟悉程序設計，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，將程序整段復制入MATLAB，設置好wavread函數中的文件地址，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處的標記后再折返，經過處理即得到了探測的圖像結果，見圖19、圖20。

圖18、測試現場

圖19、對行人的測距測速結果

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

整體系統的效果及設計心得

介紹了很多專業范疇的內容之后，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，開關也是利用拆下來的開關。

DIY的樂趣，就在于可以在一個固定的電子系統中，傾注自己對于設計的看法、理想甚至感情。可以在充分發揮想象力和動手能力的同時，學到很多實際的經驗，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”到現實生活中，所以，一旦有了理想，一定要想辦法去實現它。