CN102393512A - 单天线调频连续波雷达射频无源对消方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种单天线调频连续波雷达射频无源对消方法，旨在提供一种通过发射泄露对消和馈线反射信号对消实现高收发隔离度的无源对消方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在位于雷达天线与收发前端之间设置一个连接收发前端电路的无源对消网络和采用波导结构构成的传输线反射信号对消器，收发前端的发射信号通过无源对消网络的发射T型头功分成两路，一路经过波导电桥和90度波导移相器，另一路经过180度波导移相器和波导电桥，通过输出端T型头合成后，再经过上述传输线反射信号对消器，以最大功率输出至雷达天线，同时以最小功率输出至接收端口。本发明在雷达天线与收发前端之间采用无源对消网络和传输线反射信号对消器，解决了反射功率有源对消系统复杂、体积重量大、电路设计调试难度高问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于防撞、生命探测、精确测距等领域的毫米波调频连续波雷达射频无源对消方法。
背景技术
Ka波段单天线调频连续波（FMCW）雷达是在防撞、生命探测、精确测距等领域应用广泛的具有无盲区、低功耗、低成本和轻小型化等诸多优点的雷达。现有技术为了避免发射泄漏功率和由于馈线不连续性、天线失配、天线附近固定反射体等失配反射信号对接收机的影响，对收发隔离度要求很高，需用达到40~60dB。通常单天线雷达收发隔离度也只能达到15~25dB，不能满足要求。为了实现高收发隔离，现有技术一般均采用收发天线分开形式的窄波束雷达。由于窄波束雷达天线尺寸较大，采用双天线会显著增加雷达体积和成本，很多时候都无法应用， P. D. L. Beasley, A. G. Stove, B. J. Reits, and B. As, “Solving the prob-lems of a single antenna frequency modulated CWradar,” in Proc. IEEE Radar Conf., 1990, 391–395.提出了用于提高单天线连续波雷达收发隔离度的各种形式的发射泄漏功率对消器和反射功率对消器。O. Hara F. J., Moore G. M., A high performance CW receiver using feedthru nulling, Microwave Journal, Sept 1963, 63-71 和Kaihui Lin, Yuanxun Ethan Wang, Cheng-Keng Pao, A Ka-Band FMCW Radar Front-End With Adaptive Leakage Cancellation, IEEE Trans. On MTT., 54( 12), Dec. 2006, 4041-4048文献还介绍了如图6所示的毫米波反射功率有源对消原理，反射功率有源对消（RPC）由接收单元、发射单元和对消矢量合成单元三部分组成，各单元之间用波导耦合器连接。接收单元由波导微带过渡、低噪声放大器和正交混频器组成，发射单元由多级固态功率放大器组成，对消矢量合成单元由中视频处理、矢量调制器、相位匹配单元以及延时匹配单元几部分组成，对消信号的幅相调整是通过对消后残余信号经幅相检测后闭环控制的。该文献描述了通过从发射机耦合部分信号，经自适应调整其信号幅度和相位后注入接收机，使之与反射信号等幅反向，与反射信号合成后抵消实现反射信号对消的原理。该文献的不足之处在于注入信号功率较小，仅适用于-10dBm以下小反射信号对消，当泄漏功率较大时，接收单元必须能承受建立稳态前的大输入功率并要求接收单元线性工作电平范围高，对消矢量合成单元也需要产生足够的对消信号输出功率，实现电路复杂，体积重量较大，并且它的幅相调整电路同时会产生噪声注入接收机，使得接收信噪比恶化。虽然文献描述了对不同幅度和相位的反射信号具有较好的适应性，但在实际使用中不能实现完全对消，一般只有30dB左右的对消度。
现有短截线调配器通过采用短截线调配器对电路调谐进行阻抗匹配，从理论上可以消除反射信号和接收机噪声，稳定传输线上的反射信号，但该方法由于需要改变短截线阻抗、位置和长度才能实现最佳匹配，调试过程复杂，结构上难以实现。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提出一种在毫米波单天线调频连续波雷达射频无源对消方法，通过发射泄露对消和馈线反射信号对消实现高收发隔离度，解决反射功率有源对消系统复杂、体积重量大、电路设计调试难度高等问题。
本发明目的可以通过以下措施来达到： 一种单天线调频连续波雷达射频无源对消方法，其特征在于具有如下技术特征，在位于雷达天线与收发前端之间设置一个连接收发前端电路的无源对消网络和采用波导结构构成的传输线反射信号对消器，收发前端的发射信号通过无源对消网络的发射T型头功分成两路，一路经过波导电桥和90度波导移相器，另一路经过180度波导移相器和波导电桥后再通过输出端T型头合成后，再经过上述传输线反射信号对消器，以最大功率输出至雷达天线，同时以最小功率输出至接收端口。
雷达天线接收信号经过传输线反射信号对消器后输入至输出端T型头功分成两路，一路经过波导电桥，另一路经过波导电桥和90度波导移相器后再经过接收T型头合成后以最大功率输出至收发前端射频接收端口；收发前端发射泄露信号通过无源对消网络的发射T型头功分成两路，一路经过波导电桥隔离端，另一路经过180度波导移相器和波导电桥隔离端后再通过接收T型头合成后以最小功率输出至收发前端接收端口。通过传输线反射信号对消器消除由失配及不连续性导致的各种反射信号，经过上述两次无源对消实现收发前端射频反射信号的高隔离度。
本发明的创造性在于无源对消网络和传输线反射信号对消器，位于雷达天线与收发前端之间，通过采用等效波导T型头、波导移相器、波导电桥以及波导负载形式的几何图形的结构组合形成无源对消网络，消除发射支路泄露到接收支路的信号，通过采用传输线反射信号对消器将各种失配和不连续性导致的反射信号分解为两个正交分量并独立对两个分量分别进行对消，实现Ka频段单天线连续波雷达收发前端高收发隔离度指标，方法简单。
本发明在雷达天线与收发前端之间采用无源对消网络以及传输线反射信号对消器，解决了反射功率有源对消系统复杂、体积重量大、电路设计调试难度高等问题，为工作于Ka频段单天线调频连续波体制的雷达提供了良好的收发隔离度。与现有技术相比，具有以下优点：
（1）无源对消网络具有良好的收发隔离度，在1GHz带宽内可达45dB以上、500MHz带宽内可达50dB以上，而一般反射功率有源对消系统的对消度仅为30dB左右。
（2）利用无源波导结构实现对消网络，结合传输线反射信号对消技术，很好的解决了发射泄露信号以及由于馈线不连续性、天线失配、天线附近固定反射体等引起的小反射信号。该无源对消网络易于实现，无需调试。
（3）无源对消网络结构简单，体积小、重量轻、全温指标一致性好，可以实现很好的发射泄露信号对消效果，不仅在Ka频段，还可以扩展到其他频段，如更高的Q频段（40 GHz～60GHz）以及更低的K频段（18 GHz～26.5GHz）、Ku频段（12 GHz～18GHz），应用前景广泛。
附图说明
图1是单天线调频连续波雷达原理框图。
图2是图1中毫米波收发前端的电路组成框图。
图3是本发明毫米波无源对消网络整体结构示意图。
图4是图3的等效电路原理图。
图5是本发明传输线反射信号对消器结构示意及等效电路图。
图6是现有技术毫米波反射功率有源对消原理图。
图中：1.输出端T型头，2.接收T型头，3.发射T型头，4. 上、下波导电桥，5.匹配负载，6.90度移相波导，7.180度移相波导，8.传输线反射信号对消器，9. 接收端口，10.发射端口。
具体实施方式
参阅图1、图2。该Ka波段单天线调频连续波雷达由天线（包含伺服等）、收发前端、中视频单元、信号处理分机等部分组成，收发前端由发射支路和接收支路组成，其中发射支路由功率放大器、滤波器、驱动放大器、混频器、衰减器以及本振倍频放大器组成，接收支路由低噪声放大器、滤波器、混频器、中频放大器、衰减器以及本振倍频放大器组成，上述组成结构均为现有技术。本发明无源对消网络位于雷达天线与收发前端之间，用于消除发射泄露信号以及由于馈线不连续性、天线失配、天线附近固定反射体等引起的小反射信号。该无源对消网络连接于上述收发前端射频接收端口，更具体地说，它连接于所述雷达收发前端发射支路的功率放大器与接收支路的低噪声放大器之间。在天线接口与无源对消网络之间连接有传输线反射信号对消器。
参阅图3。无源对消网络由一个集成在同一物理器件上的无源等效波导T型头、波导电桥、90度波导移相器、180度波导移相器以及匹配负载组成，其中，波导T型头包括输出端T型头1、接收T型头2、发射T型头3。
输出端T型头1由图中传输线反射信号对消器8、90度波导移相器6与下波导电桥4之间的马鞍形小凸台及其周围三段波导构成；
接收T型头2由图中接收端口9与上下波导电桥4之间的马鞍形小凸台及其周围三段波导构成；
发射T型头3由图中发射端口10、180度波导移相器7与上波导电桥4之间的马鞍形小凸台及其周围三段波导构成；
波导电桥包括上波导电桥4、下波导电桥4，上波导电桥4由形状一致，位于板体器件中心上侧，分布在相邻两个波导之间的四个孤立的小隔块和五个耦合孔以及四段分别连接上匹配负载5、接收T型头2、发射T型头3和90度波导移相器6的波导构成；
下波导电桥4由形状一致，位于板体器件中心下侧，分布在相邻两个波导之间的四个孤立的小隔块和五个耦合孔以及四段分别连接下匹配负载5、接收T型头2、输出端T型头1和180度波导移相器7的波导构成；
90度移相器由板体器件左端与传输线反射信号对消器8相连的1/4波长的90度波导移相器6构成；180度移相器由位于板体器件右端的1/2波长的180度波导移相器7构成；
匹配负载由分别粘接在图中上、下波导电桥4左上方波导内的两个三角形匹配负载5构成。
上述无源对消网络和传输线反射信号对消器8是由图3所示两个形状、大小一致的上下对称的板体器件通过螺钉固联在一起构成的。
来自天线的射频信号通过传输线反射信号对消器8，经过输出端T型头1功分成两路，分别经过90度波导移相器6、上波导电桥4和下波导电桥4后在接收T型头2处合成后经过中心位置三颗三角形螺钉内的波导输出至接收端口9。发射信号通过发射端口10输入至右侧位置三颗三角形螺钉内的波导，经过发射T型头3功分成两路，分别经过上波导电桥4、90度波导移相器6和180度波导移相器7、下波导电桥4后在输出端T型头1处合成，之后再输出至传输线反射信号对消器8；发射泄露信号经过发射T型头3功分成两路，分别经过上波导电桥4和180度波导移相器6、下波导电桥4后在接收T型头2处合成后经过中心位置三颗三角形螺钉内的波导输出至接收端口9。
参阅图4。采用波导T型头实现信号的等相等幅功分及合成；采用波导电桥实现两路信号的正交功分或合成以及功分支路之间的良好隔离；采用1/4波长的波导实现90度波导移相器；采用1/2波长的波导实现180度波导移相器；采用波导吸收体负载作为波导电桥隔离支路的匹配负载。
无源对消网络射频信号传输要求为：发射信号从发射T型头3输入到输出端T型头1为直通通道，要求传输损耗最小；发射信号从发射T型头3输入，到接收T型头2为隔离通道，要求信号幅度最小；接收信号从输出端T型头1输入，到接收端T型头2为直通通道，要求传输损耗最小。雷达接收信号从天线馈入传输线反射信号对消器，经过输出端T型头功分后分成两路，左边一路经过90度波导移相器和波导电桥后相位为180度，右边一路经过波导电桥后相位也为180度，两个信号在接收支路等幅同相，经过接收T型头合成得到最大信号功率，输出至接收支路端口2。发射信号从发射T型头3输入，经过发射T型头后功分为等相位的两路信号，左边一路经过波导电桥后相位增加180度，再经过90度移相后到输出端T型头时相位为270度，右边一路信号先经过180度波导移相器，再经过波导电桥后到输出端T型头时相位为270度，左右两路信号等幅同相，经过输出端T型头合成以最大功率输出至传输线反射信号对消器端口。同理，发射信号通过波导电桥泄漏到接收通道的信号在接收T型头合成前相位刚好相差180度，两路信号等幅反相，经过接收T型头后相互抵消，理论上无发射信号泄漏到接收支路端口2。满足射频信号传输要求。
参阅图5。位于雷达天线与无源对消网络之间的传输线反射信号对消器，由等效波导的金属矩形箱体和设置在等效波导上的调谐螺钉和固定件组成，形成了图3所示的并联电容不连续性等效电路。其工作原理为：该传输线反射信号对消器将传输线上任意相位反射信号分为两个正交分量，当反射信号相对于传输信号幅度较小（回波损耗高于15dB以上）时，通过在传输线上引入可调无耗不连续性的两个间隔1/8波长的调谐螺钉，使其产生的反射信号相位差为±90o，通过调整调谐螺钉深入波导的长度来调整两个正交分量的幅度，可以独立对消原来反射信号的两个正交分量之一，从而使反射信号完全被抵消。基于此原理设计的传输线反射信号对消器采用波导结构，其主要调谐电路采用矩形波导宽边插入2个可变长度调谐螺钉，调谐螺钉相距1/8波导波长或者3/8波导波长，同时在波导壁上各铣出一个槽，以增加可调范围。在调谐螺钉长度很小情形，引入的两个不连续性的调谐螺钉等效为两个电抗，可以通过调整旋入调谐螺钉深度改变电抗大小和性质，直至完全抵消反射回来的信号，在实际测试中，可以将22dB的回波损耗提高到60dB以上。
Claims (10)
1.一种单天线调频连续波雷达射频无源对消方法，其特征在于具有如下技术特征，在位于雷达天线与收发前端之间设置一个连接收发前端电路的无源对消网络和采用波导结构构成的传输线反射信号对消器，收发前端的发射信号通过无源对消网络的发射T型头功分成两路，一路经过波导电桥和90度波导移相器，另一路经过180度波导移相器和波导电桥，通过输出端T型头合成后，再经过上述传输线反射信号对消器，以最大功率输出至雷达天线，同时以最小功率输出至接收端口。
2.如权利要求1所述的单天线调频连续波雷达射频无源对消方法，其特征在于，雷达天线接收信号经过传输线反射信号对消器后输入至输出端T型头功分成两路，一路经过波导电桥，另一路经过波导电桥和90度波导移相器，再经过接收T型头合成后，以最大功率输出至收发前端射频接收端口。
3.如权利要求1所述的单天线调频连续波雷达射频无源对消方法，其特征在于，收发前端发射泄露信号通过无源对消网络的发射T型头功分成两路，一路经过波导电桥隔离端，另一路经过180度波导移相器和波导电桥隔离端，再通过接收T型头合成后，以最小功率输出至收发前端接收端口。
4.如权利要求1所述的单天线调频连续波雷达射频无源对消方法，其特征在于，所述的无源对消网络连接于所述雷达收发前端发射支路的功率放大器与接收支路的低噪声放大器之间。
5.如权利要求1所述的单天线调频连续波雷达射频无源对消方法，其特征在于，所述的无源对消网络由一个集成在同一物理器件上的无源等效波导T型头、波导电桥、90度波导移相器、180度波导移相器以及匹配负载组成，其中，波导T型头包括，输出端T型头（1）、接收T型头（2）、发射T型头（3）；所述输出端T型头（1）由传输线反射信号对消器（8）、90度波导移相器（6）与下波导电桥（4）之间的马鞍形小凸台及其周围三段波导构成；所述接收T型头（2）由接收端口（9）与上下波导电桥（4）之间的马鞍形小凸台及其周围三段波导构成；所述发射T型头（3）由发射端口（10）、180度波导移相器（7）与上波导电桥（4）之间的马鞍形小凸台及其周围三段波导构成。
6.如权利要求5所述的单天线调频连续波雷达射频无源对消方法，其特征在于，所述波导电桥包括，上、下波导电桥（4）；上波导电桥（4）由形状一致，位于板体器件中心上侧，分布在相邻两个波导之间的四个孤立的小隔块和五个耦合孔，以及四段分别连接上匹配负载（5）、接收T型头（2）、发射T型头（3）和90度波导移相器（6）的波导构成；所述的下波导电桥（4）由形状一致，位于板体器件中心下侧，分布在相邻两个波导之间的四个孤立的小隔块和五个耦合孔以及四段分别连接下匹配负载（5）、接收T型头（2）、输出端T型头（1）和180度波导移相器（7）的波导构成。
7.如权利要求5所述的单天线调频连续波雷达射频无源对消方法，其特征在于，所述的90度移相器由板体器件左端与传输线反射信号对消器（8）相连的1/4波长的90度波导移相器（6）构成；180度移相器由位于板体器件右端的1/2波长的180度波导移相器（7）构成。
8.如权利要求5所述的单天线调频连续波雷达射频无源对消方法，其特征在于，所述匹配负载由分别粘接在上、下波导电桥（4）左上方波导内的两个三角形匹配负载（5）构成。
9.如权利要求5所述的单天线调频连续波雷达射频无源对消方法，其特征在于，来自天线的射频信号通过传输线反射信号对消器（8），经过输出端T型头（1）功分成两路，分别经过90度波导移相器（6）、上波导电桥（4）和下波导电桥（4），在接收T型头（2）处合成后经过中心位置三颗三角形螺钉内的波导输出至接收端口（9）。
10.如权利要求5所述的单天线调频连续波雷达射频无源对消方法，其特征在于，发射信号通过发射端口（10）输入至右侧位置三颗三角形螺钉内的波导，经过发射T型头（3）功分成两路，分别经过上波导电桥（4）、90度波导移相器（6）和180度波导移相器（7）、下波导电桥（4）后在输出端T型头（1）处合成，输出至传输线反射信号对消器（8）；发射泄露信号经过发射T型头（3）功分成两路，分别经过上波导电桥（4）、180度波导移相器（6）和下波导电桥（4），在接收T型头（2）处合成，经过中心位置三颗三角形螺钉内的波导输出至接收端口（9）。
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Application publication date: 20120328 Assignee: Tianao Industry Co Ltd, Chengdu Assignor: 10th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation Contract record no.: 2013510000087 Denomination of invention: Single-antenna frequency-modulated continuous-wave radar radio frequency passive cancellation method Granted publication date: 20130123 License type: Exclusive License Record date: 20130905 |
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