[發明專利]線性調頻連續波雷達收發前端

在審

• 申請號: 201810143431.1
• 申請日: 2018-02-11
• 公開（公告）號: CN108459302A
• 公開（公告）日: 2018-08-28
• 發明（設計）人: 鄧鶴棲;楊茂輝
• 申請（專利權）人: 西南電子技術研究所（中國電子科技集團公司第十研究所）
• 主分類號: G01S7/02
• 分類號: G01S7/02;G01S7/36
• 代理公司: 成飛(集團)公司專利中心 51121
• 代理人: 郭純武

本發明公開的一種線性調頻連續波雷達收發前端，旨在提供一種結構簡單，集成度高，體積小，易于一體化實現集成的收發前端。本發明通過下述技術方案予以實現：發射天線(4)和接收天線(5)分別集成在上腔體(1)的圓柱體發射通道和接收通道中，發射通道和接收通道對稱中心軸線，射頻電路(3)安裝在下腔圓柱體上面的圓盤腔體中，射頻電路(3)通過發射鏈路、接收鏈路，以電磁耦合的方式，與發射天線和接收天線實現能量的傳輸；波形發生器將產生的調制信號v(t)輸入到射頻電路3中的壓控振蕩器，壓控振蕩器將該調制信號調頻到微波頻段，將產生的調頻信號通過多次倍頻放大后，作為發射天線(4)的發射信號發射出去。

背景技術

隨著及數字技術與信號處理技術的不斷發展，采用線性調制方式的FMCW雷達成為了目前研究和應用的主要目標。毫米波LFMCW雷達結合了毫米波雷達和LFMCW雷達的優點，日益受到世界各國的重視。與微波雷達相比，毫米波LFMCW雷達可以實現更寬的調頻帶寬，獲得更高的距離分辨率，即使用較小的天線，也能產生很高的角度分辨率；與傳統的脈沖雷達相比，LFMCW雷達要求較低的發射峰值功率。它采用連續波體制消除了距離盲區，采用大的帶寬獲得高的距離分辨率和測距精度，而且該雷達的信號處理系統更為簡單。因而毫米波LFMCW雷達具有體積小、重量輕，探測分辨率高、發射功率小、無距離盲區，特別是其良好的低截獲概率性能的特點，受到人們關注。毫米波線性調頻連續波(LFMCW)探測系統以其探測精度高、毫米波LFMCW探測系統結構簡單，成本低，與普通微波探測系統相比，受云、雨、霧等天氣條件的影響相對較小，它容易實現大的調頻帶寬，能夠獲得更高的分辨率和更好的測距精度。由于連續波雷達的體制特點，發射機和接收機間的隔離是所有連續波雷達的難題。當發射機發射的功率很大時，由于發射與隔離的問題，發射信號泄漏到接收通道的信號以及發射天線，直接泄漏到接收天線的信號會影響弱信號的接收，嚴重情況下會造成接收通道的飽和，導致發射功率泄漏到接收機將阻塞接收機，因而隔離度的問題限制了發射功率的大小，使其作用距離受到限制。目前，毫米波LFMCW雷達受到器件限制，發射功率較小，影響了LFMCW雷達的作用距離，限制了其應用范圍。發射端的頻率源的線性度和帶寬范圍及發射功率的大小直接影響到作用距離以及精度。對各種毫米波系統來說，收發前端的性能指標非常重要，往往對整個系統的性能指標起到決定性作用。傳統采用波導立體電路，其技術比較成熟。但這種方式必然會致使整個前端系統的體積過大，接口多，很難保證極化方向的一致。由于過多接口造成的泄露而使得部件之間產生信號串擾，各接口間的干擾會使得很難解決高頻系統電磁兼容的問題。為提高雷達系統的探測能力，分辨能力和測量精度，則要求發射的信號有大的時寬，帶寬以及能量乘積。通常大的時帶積信號采用線性調頻，非線性調頻，相位編碼，頻率編碼等方式。為了充分利用發射機峰值功率，一般不希望采用調幅信號。雷達系統的收發前端是由天線，發射機，接收機，信號處理機和終端設備等組成的比較復雜的系統。為了更好的抑制雜波，要求發射信號具有很高的頻率穩定度。雷達收發前端一般工作在微波或者毫米波頻段，工作在毫米波頻段的雷達收發前端具有體積小，分辨率高等特點，同時，硬件成本也高于工作在微波頻段的雷達收發前端。雷達發射機實現的功能與接收機相反，主要完成信號倍頻及功率放大。通常雷達發射機主要分為脈沖調制發射機和連續波發射機。雷達發射機主要任務是為雷達系統提供滿足特定要求的大功率發射信號。在發射機中，發射頻率的精度和穩定度由低功率頻率源決定。雷達接收機是雷達系統的重要組成部分。它的主要任務是將從天線接收到的各種外來干擾，雜波，以及接收機內部噪聲中通過濾波，放大，變頻等方式得到有用的回波信號給信號板處理。在接收機中，信號需要經過低噪聲放大器、濾波器等多個器件，每個器件都會引入噪聲，信號經過這些器件后噪聲功率變大，輸入信噪比在一定程度變差。由于接收機輸出目標回波差拍信號幅度與雷達到目標距離的四次方成反比，信號隨著距離的增大，信號幅度迅速衰減，另外，發射信號的泄漏影響回波信號的接收，接收機一部分泄漏信號經低噪放泄漏到天線，對鄰近的信道造成干擾。同時當天線接收到的很強的干擾信號時泄漏到本振端口，與天線接收到的干擾信號混頻，也會產生直流分量。另外由于閃爍噪聲對低頻情況影響較大，所以它對零中頻接收機干擾較大，會降低信號的信噪比，影響AD對信號的處理。其次IQ失配等問題會對零中頻接收機的信號處理造成誤碼率的增加。按照電路的結構來劃分，現代接收機通常分為射頻微波毫米波前端和數字后端兩大部分。前端是指從天線到模數轉換器這部分硬件電路，它將微弱的射頻輸入信號盡可能不失真地放大，并降低為一個更容易處理的中頻甚至是基帶信號，然后再轉換為數字信號交給數字后端電路進行處理。接收機的作用是通過天線收集發射端送來的微弱的電磁波信號，從傳播信道內眾多的電磁波中選出規定的頻帶，并逐級加以放大和降頻，使經過遭受到環境衰落的信號成為有用的信息并擁有最小的失真度，而接收前端對整個接收機起著關鍵的作用，所以設計和制造出集成度高、重量輕、性能優良、可靠性高的接收前端意義非常大。通常接收前端包括波導、探針、微帶過渡、收發隔離開關、兩級低噪聲放大器、微帶鏡頻抑制濾波器、二次諧波混頻器、微帶功分器、中頻放大器和電源部分。其中，波導、探針、微帶過渡對整個接收前端系統的噪聲系數影響最大。目前產生調頻信號的方案基本有以下二種方式一是DDS+倍頻技術+上變頻技術，二是DDS+PLL混合頻率合成技術。DDS+倍頻技術+上變頻技術雖然可以獲得很快的頻率跳變速度，并且容易實現，可以將頻率擴展到微波以及毫米波，具有相位噪聲好，頻率跳變時間快等優點，但是其電路復雜，調試起來麻煩。不可否認DDS有極好的頻率分辨率，高速的頻率切換時間，很好的相位噪聲，但它輸出頻率較低。傳統的鎖相環電路輸出頻率高，相位噪聲好，其缺點是頻率跳變時間較長。由于經頻率源鎖相環輸出的掃頻信號無法達到毫米波，需要經過倍頻器對其實現倍頻，然后由功率放大器實現放大，濾波后送給發射天線，通過發射天線將該掃頻信號發射到空間當中。由于LFMCW雷達實現對目標的檢測需要用到窄帶濾波器組，從而導致設備體積隨著作用距離的增大而變大，這對于生產及應用是極為不便的。因此，在過去很長一段時間里，LFMCW雷達無法大范圍得到應用。對于LFMCW雷達毫米波前端，前幾級器件對整個系統的系統噪聲起關鍵性作用，需要考慮的主要性能參數包括：接收靈敏度、噪聲系數、功率動態范圍、發射機輸出功率等。在一般的線性調頻雷達系統中，包括三角波信號發生器、射頻前端模塊、中頻信號處理模塊、基帶信號處理模塊以及電源模塊。頻綜模塊產生掃頻信號，經射頻前端模塊處理后經天線發射到自由空間，電磁波遇到障礙物后返回至接收天線，經射頻前端模塊下變頻為中頻信號。此時的中頻信號功率十分低，需要中頻信號處理模塊對其進行濾波、放大處理后才能輸出給基帶。基帶信號處理模塊對該信號進行處理。接收的射頻信號第一次下變頻前，會經過濾波器和LNA器件，再次變頻后得到的信號即為基帶信號。其中，射頻濾波器主要用于抑制帶外雜波信號，鏡像抑制濾波器用于衰減鏡像干擾信號。中頻濾波器則用于信道的選擇，該濾波器的性能直接影響接收機的靈敏度和選擇性指標。濾波器的實現難度大、成本高而且尺寸也較大。