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[導(dǎo)讀]  1 引 言  毫米波的工作頻率介于微波和光之間,毫米波雷達(dá)比微波雷達(dá)體積小、重量輕、波速窄、帶寬大、抗干擾能力強(qiáng);比紅外或激光傳感器氣象適應(yīng)性好,所以它是繼激光、紅外之后電磁頻譜利用中的一枝新秀。以前

  1 引 言

  毫米波的工作頻率介于微波和光之間,毫米波雷達(dá)比微波雷達(dá)體積小、重量輕、波速窄、帶寬大、抗干擾能力強(qiáng);比紅外或激光傳感器氣象適應(yīng)性好,所以它是繼激光、紅外之后電磁頻譜利用中的一枝新秀。以前毫米波雷達(dá)的應(yīng)用受到器件,尤其是有源器件功率不高的限制,使它難以在末制導(dǎo)以外的領(lǐng)域發(fā)揮作用。然而今非昔比,20世紀(jì)90年代第二階段的微波毫米波集成電路規(guī)劃取得重大突破后,大功率毫米波功率源、介質(zhì)天線、集成天線、低噪聲接收機(jī)芯片等相繼問世,使毫米波雷達(dá)發(fā)生了更新?lián)Q代的變革,并且大大拓寬了它的應(yīng)用領(lǐng)域。

  2 毫米波雷達(dá)前端系統(tǒng)設(shè)計原理

  利用偽隨機(jī)編碼信號良好的自相關(guān)特性,低距離副瓣,獲得高的測量精度和距離分辨率。同時利用正弦波調(diào)頻信號體制的回波信號功率為距離函數(shù)的特點來有效地抑制近區(qū)雜波干擾。圖1為采用偽隨機(jī)編碼調(diào)相和正弦波調(diào)頻這兩種連續(xù)波信號的復(fù)合調(diào)制體制框圖。

  16 GHz高頻振蕩器產(chǎn)生16 GHz±10 MHz微波振蕩信號,經(jīng)正弦調(diào)制后信號送到調(diào)相器,進(jìn)行隨機(jī)編碼調(diào)相。調(diào)相后的信號通過功分器,一部分放大后由發(fā)射天線輻射出去,另一部分泄漏信號加到信號混頻器。經(jīng)天線輻射出去的射頻信號照射到目標(biāo)后,目標(biāo)反射的回波信號由天線接收,回波信號送到信號混頻器與泄漏信號混頻并濾除高頻信號,得到視頻信號。視頻信號放大后經(jīng)過數(shù)字信號處理就可以送到耳機(jī)從而直接監(jiān)聽目標(biāo)運(yùn)動情況、速度和狀態(tài)。

  如圖1所示,雷達(dá)前端系統(tǒng)的主要組成部分有振蕩器、0/π調(diào)相器、功率放大器以及混頻器。

  2.1 介質(zhì)振蕩器

  介質(zhì)振蕩器采用如圖2所示的GaAs場效應(yīng)管介質(zhì)反饋型振蕩器。GaAs場效應(yīng)管介質(zhì)反饋型振蕩器可以采用漏極輸出或源極輸出兩種方式,為了獲得盡可能大的輸出功率,選用漏極輸出、源極直接接地的形式。

  通常選用的介質(zhì)振蕩器模式有TE01δ模、TM01δ模和HE11δ模,但在與微帶耦合時一般選用TE01δ模,因為其電磁場是圓對稱的,與微帶耦合非常方便,而且振蕩模式穩(wěn)定。本文選用圓柱形介質(zhì)諧振器,其直徑D=3.423 mm,高度h=2.28 mm。參數(shù)為:f=16 GHz,εr=40。實際電路中,在諧振器與微帶基片之間墊入一低介電常數(shù)、低損耗的介質(zhì)片,用來減少微帶基片和金屬接地板對諧振器Q值和溫度性能的影響。

  2.2 0/π調(diào)相器

  0/π 調(diào)相器采用開關(guān)線調(diào)相器。開關(guān)線調(diào)相器的電原理圖如圖3所示。L1,L2是兩條長度不同的微帶傳輸線(或者是其他任意微波傳輸線),D1,D2,D3,D4是4只性能一致的PIN二極管。當(dāng)兩邊二極管互補(bǔ)偏置時,二極管D1,D2導(dǎo)通時,D3,D4處在截止?fàn)顟B(tài),載頻信號經(jīng)L1 傳輸。反之,D1,D2截止時,D3,D4處在導(dǎo)通狀態(tài),載頻信號經(jīng)L2傳輸。很顯然,由于L1和L2長度不同,因而引起相移作用。

  設(shè)較短的路徑為L1,較長的路徑為L2。則調(diào)相相位為:

  2.3 功率放大器

  如圖1所示,介質(zhì)振蕩器產(chǎn)生16 GHz±10 MHz的振蕩信號為6~9 dBm,為了確保信號能傳輸取最小值進(jìn)行設(shè)計。6 dBm的信號經(jīng)過隔離器損耗1 dBm,又經(jīng)過0/π調(diào)相器損耗1 dBm,得到4 dBm的信號。4 dBm信號經(jīng)過3 dBm的功分器,進(jìn)入功率放大器的信號只剩下1 dBm,要得到17 dBm的發(fā)射信號,功率放大器至少要放大18 dBm左右。通過選擇適當(dāng)?shù)姆糯蠊茏樱O(shè)計一定的放大器電路,最終能達(dá)到設(shè)計所要求的性能指標(biāo)。

   2.4 信號混頻器

  信號混頻器采用如圖4所示的雙平衡混頻器。

  此電路的特點是本振和信號電壓分別通過平衡——不平衡變換器加到二極管上,這種變換器簡稱巴倫,用巴倫代替了定向耦合器及高低頻短路線等,展寬了工作頻帶。信號與本振功率分別通過巴倫加到二極管電橋的兩個對角線上。只要四只二極管性能完全相同,電橋保證平衡,則信號與本振端口之間就可以完全隔離。同時二極管電橋又為二極管提供了高低頻和直流通路。

  這種混頻器具有如下的長處:雙平衡混頻器隔離度高;動態(tài)范圍大;雙平衡混頻器是寬帶混頻器。

  3 結(jié) 語

  經(jīng)過長時間的研究,已經(jīng)研制出了一個滿足要求毫米波雷達(dá)前端系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用如圖1所示的毫米波雷達(dá)前端系統(tǒng)設(shè)計原理圖,工作頻率為16 GHz,在常溫下頻率偏移小于等于10 MHz,輸出功率Po≥45 mW,相位噪聲≤-70 dBc/Hz/10 kHz。0/π調(diào)相器在750 kHz對稱方波下,常溫載波抑制≤-25 dB。

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