CN104485972A

CN104485972A - K波段单天线收发装置

Info

Publication number: CN104485972A
Application number: CN201410781739.0A
Authority: CN
Inventors: 刘解华; 李雨昂; 李保柱; 王晓勇; 李振仓
Original assignee: Beijing HWA Create Co Ltd
Current assignee: Beijing HWA Create Co Ltd
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2015-04-01

Abstract

本发明提供了K波段单天线收发装置，具体涉及电磁波领域。本发明所提供的K波段单天线收发装置，采用三分贝电桥进行功率分配和收发功能转换，其通过设置了三分贝电桥，以及分别与所述三分贝电桥电连接的天线和混频器；其中，三分贝电桥，用于将原始信号分解为发射信号和混频信号；天线，用于将待发射信号进行发送，和用于接收回波信号，所述回波信号是所述发射信号接触到被测物后返回的；混频器，用于将所述待混频信号和所述回波信号进行混频，以生成可分析信号，从而通过采用了单天线收发并使用电桥结构完成了功率分配和收发转换功能。

Description

K波段单天线收发装置

技术领域

本发明涉及电磁波领域，具体而言，涉及K波段单天线收发装置。

背景技术

天线(antenna)是一种变换器，它能把传输线上传播的导行波(导行波是全部或绝大部分电磁能量被约束在有限横截面内沿确定方向传输的电磁波)，变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。

当导体上通以高频电流时，在其周围空间会产生电场与磁场。按电磁场在空间的分布特性，可分为近区，中间区，远区。设R为空间一点距导体的距离，在R<<λ/2π时的区域称近区，在该区内的电磁场与导体中电流,电压有紧密的联系。在R>>λ/2π时的区域称为远区，在该区域内电磁场能离开导体向空间传播，它的变化相对于导体上的电流电压就要滞后一段时间，此时传播出去的电磁波已不与导线上的电流、电压有直接的联系了，这区域的电磁场称为辐射场。

当导线的长度L远小于波长λ时，辐射很微弱；导线的长度L增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。发射天线正是利用辐射场的这种性质，使传送的信号经过发射天线后能够充分地向空间辐射。

天线在使用的时候，按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。根据频率范围的差别，可以将天线分为多个种类，如X频、K频(宽频)、VG-2频等多个种类，K波段(波长约11～17mm)处于分米波(10～100mm)和毫米波(1～10mm)的交界位置。

其中，微波测量技术(微波天线的应用)是在电子和微波技术基础上发展起来的一门重要测量技术，其工作原理是：首先向目标空间发射特定频段的电磁波(通过前序电路能够产生特定的待发射信号)，电磁波遇到目标后会有一部分被反射回来，称为回波；然后接收这些回波信号，并使用特定的装置和方法，对接受到的回波信号(回波信号也可称为可分析信号)进行处理、分析，就可以得到目标的相关信息，如，通过分析回波信号中所携带的信息，就可以知悉目标的位置、速度、形状等。

目前，K波段单天线收发装置多使用双天线或使用环形器等器件实现收发转换，受到双天线结构或环形器自身条件的影响，使用双天线或环形器(指使用双天线或环形器作为收发转换装置)做出的收发装置在体积和成本方面效果并不理想。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供K波段单天线收发装置，以降低天线制作的成本和减小了整体的体积。

第一方面，本发明实施例提供了K波段单天线收发装置，包括：三分贝电桥，以及分别与所述三分贝电桥电连接的天线和混频器；

三分贝电桥，用于将预设信号分解为发射信号和混频信号；

天线，用于将待发射信号进行发送，和用于接收回波信号，所述回波信号是所述发射信号接触到被测物后返回的；

混频器，用于将所述待混频信号和所述回波信号进行混频，以生成可分析信号。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，还包括：频率合成器、锁相环和倍频器，所述频率合成器、锁相环、倍频器和三分贝电桥顺序连接；

频率合成器，用于生成预设频率的原始参考信号；

锁相环，用于根据上述原始参考信号，稳定锁出预设频点的中间参考信号；

倍频器，用于将所述中间参考信号的频率倍频为预设信号的频率。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述锁相环包括鉴相器、滤波器和压控振荡器；

鉴相器，用于确定所述原始参考信号和压控振荡器输出信号的相差信号；

滤波器，用于滤出所述相差信号；

压控振荡器，用于根据所述相差信号，对所述中间参考信号进行振荡。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述滤波器为低通滤波器。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，还包括连接在所述倍频器和所述三分贝电桥之间的第一放大器和滤波器。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，还包括第二放大器，用于放大所述可分析信号。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述频率合成器为数字式频率合成器。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，还包括晶体振荡器，用于生成预设频率的时钟信号，并将所述时钟信号发送给所述频率合成器、锁相环、倍频器、三分贝电桥和混频器。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述发射信号和混频信号的频率相等。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，倍频器为2倍频器。

本发明实施例提供的K波段单天线收发装置，采用三分贝电桥进行功率分配和收发功能转换，与现有技术中的使用环形器而造成天线效果不理想相比，其通过设置了三分贝电桥，以及分别与所述三分贝电桥电连接的天线和混频器；其中，三分贝电桥，用于将原始信号分解为发射信号和混频信号；天线，用于将待发射信号进行发送，和用于接收回波信号，所述回波信号是所述发射信号接触到被测物后返回的；混频器，用于将所述待混频信号和所述回波信号进行混频，以生成可分析信号，从而通过采用了单天线收发并使用电桥结构完成了功率分配和收发转换功能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种K波段单天线收发装置的基本结构图；

图2示出了本发明实施例所提供的另一种K波段单天线收发装置的优化结构图；

图3示出了本发明实施例所提供的另一种K波段单天线收发装置的锁相环细节结构图；

图4示出了本发明实施例所提供的另一种K波段单天线收发装置的混频器混合信号的示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的另一种K波段单天线收发装置的原始参考信号示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例1提供了K波段单天线收发装置，如图1所示，包括：三分贝电桥101，以及分别与所述三分贝电桥101电连接的天线102和混频器103；

三分贝电桥101，用于将预设信号分解为发射信号和混频信号；

天线102，用于将待发射信号进行发送，和用于接收回波信号，所述回波信号是所述发射信号接触到被测物后返回的；

混频器103，用于将所述待混频信号和所述回波信号进行混频，以生成可分析信号。

其中，三分贝电桥101可双向工作，其分别与天线102和混频器103电连接，并且通过前序电路获取需要发送的信号，也就是原始信号。在获取到原始信号之后，将原始信号按照预定的比例转化为两部分，一部分是需要通过天线102发出的发射信号，另一部分是需要与返回的信号进行叠加的混频信号。需要说明的是，前序电路是指能够产生原始信号的电路，在相关技术中，已经有能够产生原始信号的电路，在此不再赘述。

天线102的作用是将发射信号发出，并且接收发射信号在遇到被测物后返回的回波信号。本发明所使用的天线102可以是单天线。

混频器103的作用是将三分贝电桥101所提供的发射信号和天线102所接收到的回波信号进行混频。如图1、图2和图4所示，混频是指将发射信号和回波信号进行叠加，具体的如将两个矩形波信号叠加成方波信号，以便于后续电路中进行分析。图4中的401是混频信号，402是回波信号。

进一步，本发明所提供的K波段单天线收发装置，还包括：频率合成器106、锁相环105和倍频器104，所述频率合成器106、锁相环105、倍频器104和三分贝电桥101顺序连接；

频率合成器106，用于生成预设频率的原始参考信号；

锁相环105，用于根据上述原始参考信号，稳定锁出预设频点的中间参考信号；

倍频器104，用于将所述中间参考信号的频率倍频为预设信号的频率。

频率合成器106用于根据上位机所下达的指令生成原始信号，如图5所示，原始信号的频率等参数可以根据具体情况的要求进行调整。

锁相环(phase-locked loop)为无线电发射中使频率较为稳定的一种装置，主要有VCO(压控振荡器)和PLL IC(锁相环集成电路)，通常，压控振荡器给出一个基本信号，该信号的一部分作为输出，另一部分通过分频与PLL IC所产生的本振信号作相位比较，为了保持频率不变，就要求相位差不发生改变，如果有相位差的变化，则PLL IC的电压输出端的电压发生变化，去控制VCO，直到相位差恢复，达到锁频的目的。进而能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。

倍频器104使用来调整输入信号的频率，以使原始信号的频率达到预定的要求。

具体的，如图3所示，所述锁相环105包括鉴相器1051、滤波器1052和压控振荡器1053；

鉴相器1051，用于确定所述原始参考信号和压控振荡器1053输出信号的相差信号；

滤波器1052，用于滤出所述相差信号；

压控振荡器1053，用于根据所述相差信号，对所述中间参考信号进行振荡。

鉴相器1051，能够鉴别出输入信号的相差的器件，也可以用于调频和调相信号的解调。

压控振荡器1053，该振荡器的工作状态和性能受到输入的控制电压的作用，也就是可以通过调整上位机向其发送的控制电压，进而调整压控振荡器1053的工作状态，也就调整了原始信号的状态。

需要说明的是，如图3所示，鉴相器1051、滤波器1052和压控振荡器1053可以是循环的对原始信号进行调整，有压控振荡器1053所输出的信号可以再次返回鉴相器1051。

具体的，所述滤波器1052为低通滤波器，以容许低于截止频率的信号通过。

在信号的幅值和质量不足的时候，可以通过设置放大器和滤波器1052来提高原始信号的幅值和质量，也就是本发明所提供的K波段单天线102收发装置还包括连接在所述倍频器104和所述三分贝电桥101之间的第一放大器和滤波器。

在混频器103将回波信号和混频信号进行叠加之后，便可以由后续的电路对叠加生成的可分析信号进行分析，但考虑到信号的幅值可能过低，因此可以通过放大器来对可分析信号进行放大。也就是本发明提供的K波段单天线收发装置还包括第二放大器，用于放大所述可分析信号，第二放大器与混频器103输出端连接。

具体的，所述频率合成器106为数字式频率合成器106。

为了使K波段单天线收发装置中的各部分的动作频率统一，还需要使用相同的时钟信号来矫正各个部分的时钟，也就是本发明所提供的K波段单天线收发装置还包括晶体振荡器，用于生成预设频率的时钟信号，并将所述时钟信号发送给所述频率合成器106、锁相环105、倍频器104、三分贝电桥101和混频器103。

为了能够使混频器103所生成的可分析信号是均匀的，所述发射信号和混频信号的频率相等。

根据具体的使用情况，使用的倍频器104为2倍频器104。

下面以具体的一个使用例还说明本发明所提供的K波段单天线102收发装置的工作流程：

(1)、由晶体振荡器产生频率为100MHz的时钟信号，为后续电路提供时钟参考。

(2)、直接数字式频率合成器106(DDS)生成频率为120～125MHz的扫频信号，以锯齿波为例，该扫频信号的频率以时间T为周期，均匀从120MHz增加到125MHz，其随时间t的变化如图2中注释1所示。本部分扫频信号的波形可根据不同设计要求进行调整。

(3)、由锁相环(PLL)输出12～12.5GHz扫频信号。其中锁相环105由鉴相器PD、低通滤波器LPF和压控振荡器VCO等三个芯片组成。本部分输出的扫频信号频率可根据不同设计要求进行调整。

(4)、由倍频器104输出24～25GHz扫频信号。该扫频信号的波形如注释3所示。本部分，倍频器104是一个二倍频器，可根据不同设计要求进行调整。

(5)、放大器(第一放大器)的工作频率与倍频器104的输出信号相匹配，其作用是对倍频器104的输出信号进行放大。

(6)、由滤波器1052对放大器的输出信号进行滤波，本案例选用的是一个24～25GHz带通滤波器，可根据不同的设计要求进行调整。

(7)、由三分贝电桥101将来自滤波器1052的信号分为两部分，一部分用于天线102进行发射，另一部分用于混频器103的本振信号。同时，由三分贝电桥101将来自天线102的回波信号分配到混频器103的射频信号。

(8)、由天线102进行24～25GHz扫频信号的发射，当发射信号遇到物体后，会有部分信号被反射回来(以下称为回波信号)，此时，由天线102对回波信号进行接收。

(9)、由混频器103对本振信号和回波信号进行混频，输出包含目标信息的混频信号ft。

(10)、由输出放大器(第二放大器)对信号ft进行放大。

(11)、由信号输出端对信号ft进行处理、输出。信号ft与扫频信号的带宽和周期相关。

(12)、由控制模块对前述所有需要偏置和数字控制的芯片进行控制，并由控制模块提供本K波段单天线雷达收发机与外界交互的接口。此处选用了单片机(MCU)作为控制主芯片，当然，也可选用其它可编程芯片作为控制主芯片。

本发明的晶体振荡器、频率合成器106和锁相环105，分别采用了晶振技术、DDS技术和锁相技术，保证了信号源的品质；在三分贝电桥101、和天线102采用了单天线收发并采用电桥结构同时完成功率分配和收发转换功能，节约了成本、减小了体积；同时，本发明采用了K波段技术，具有较宽的带宽，为测量精度提供了保障。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.K波段单天线收发装置，其特征在于，包括：三分贝电桥，以及分别与所述三分贝电桥电连接的天线和混频器；

三分贝电桥，用于将预设信号分解为发射信号和混频信号；

2.根据权利要求1所述的K波段单天线收发装置，其特征在于，还包括：频率合成器、锁相环和倍频器，所述频率合成器、锁相环、倍频器和三分贝电桥顺序连接；

频率合成器，用于生成预设频率的原始参考信号；

3.根据权利要求1所述的K波段单天线收发装置，其特征在于，所述锁相环包括鉴相器、滤波器和压控振荡器；

滤波器，用于滤出所述相差信号；

4.根据权利要求3所述的K波段单天线收发装置，其特征在于，所述滤波器为低通滤波器。

5.根据权利要求2所述的K波段单天线收发装置，其特征在于，还包括连接在所述倍频器和所述三分贝电桥之间的第一放大器和滤波器。

6.根据权利要求2所述的K波段单天线收发装置，其特征在于，还包括第二放大器，用于放大所述可分析信号。

7.根据权利要求2所述的K波段单天线收发装置，其特征在于，所述频率合成器为数字式频率合成器。

8.根据权利要求2所述的K波段单天线收发装置，其特征在于，还包括晶体振荡器，用于生成预设频率的时钟信号，并将所述时钟信号发送给所述频率合成器、锁相环、倍频器、三分贝电桥和混频器。

9.根据权利要求1所述的K波段单天线收发装置，其特征在于，所述发射信号和混频信号的频率相等。

10.根据权利要求2所述的K波段单天线收发装置，其特征在于，倍频器为2倍频器。