CN105824012A - 一种提高雷达系统收发信号隔离度的收发共用型天线结构 - Google Patents

一种提高雷达系统收发信号隔离度的收发共用型天线结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高雷达系统收发信号隔离度的收发共用型天线结构，包括第一耦合器、第二耦合器、电桥和天线；第一耦合器的输入端连接雷达系统的发射端口，直通端和电桥的一个输入端口相连；第二耦合器的输入端连接雷达系统的接收端口，直通端和电桥的另一个输入端口相连，且第一耦合器的耦合端口和第二耦合器的隔离端口通过传输线相连。第一耦合器将发射信号取出一部分，这部分信号经过传输线移相后，通过第二耦合器耦合到接收链路中，同发射信号经过电桥和其他路径泄漏到接收链路中的信号相抵消，从而提高发射信号和接收信号之间的隔离度和隔离度带宽，本发明在满足收发隔离度要求的同时，很好地解决了雷达难以集成化、小型化的问题。

Description

一种提高雷达系统收发信号隔离度的收发共用型天线结构
技术领域
本发明涉及一种雷达技术领域，具体涉及的是一种提高雷达系统收发信号隔离度的收发共用型天线结构。
背景技术
调频连续波雷达具有距离盲区小、精度高、带宽大、功率低、简单小巧等优点，在小型雷达领域得到广泛的应用。然而，在调频连续波雷达系统中，收发信号频段相同且同时使用，因而对接收和发射系统之间的隔离度提出了很高的要求。收发隔离度不够，发射信号泄漏到接收系统中的信号强度太大，会导致接收系统底噪升高，系统饱和，性能下降等，甚至可能会导致接收系统损坏。目前主流的方式是接收和发射分别使用一根天线，以满足收发隔离度的要求，但是这种方式天线的占用面积大大增加，与调频连续波雷达简单小巧的特点相违背，限制了调频连续波雷达的进一步小型化。因而收发共用一副天线的方式逐渐得到重视。
目前，收发共用一副天线的方案主要有以下两种：
（1）使用环形器对收发系统进行隔离，其结构如图1所示。在其技术中，利用电磁波在环形器中只能沿单方向环形共用一副天线，即信号只能沿正方向①→②→③传输，而反方向①→③→②是隔离。信号沿①→②是直通，形成发射支路，信号沿②→③是直通，形成接收支路，信号沿①→③是隔离，起接收发射隔离作用。
从图1可知，收发共用一副天线的关键在于环形器，环形器的原理是磁场偏置铁氧体材料各向异性特性，即铁氧体材料在外加高频波场与恒定直流磁场共同作用下，产生旋磁特性（又称张量磁导率特性）。正是这种旋磁特性，使在铁氧体中传播的电磁波发生极化的旋转（法拉第效应），以及电磁波能量强烈吸收（铁磁共振）。
从环形器原理来看，需要铁氧体材料作介质，加恒定磁场，可知制作比较复杂，难以小型化，并且不便于集成。另一方面随着现在雷达的频率越来越高，对铁氧体材料制作工艺精度要求越来越高，且隔离度也很难做高。
由此可见，现有的基于环形器的收发共用一副天线的结构不能满足雷达集成化要求，并且随着雷达频率越来越高也很难满足收发隔离的要求。
（2）使用电桥来隔离收发系统，将发射信号和接收信号分别接到电桥的一对隔离端口上，并将电桥的另一对隔离端口的一个或者两个接到天线上，这种方案收发系统的隔离度仅由电桥的隔离度实现，虽然可以满足高频小型化的要求，但是单纯的电桥，带宽相对较窄，很容易偏离设定的频率，应用的场合受到很多限制。
综上所述，如何有效提高调频连续波雷达系统的收发隔离度，满足使用要求，便成为本领域技术人员亟需解决的主要问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种提高雷达系统收发信号隔离度的收发共用型天线结构，可以同时满足雷达集成化和收发隔离的要求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种提高雷达系统收发信号隔离度的收发共用型天线结构，包括第一耦合器、第二耦合器、电桥以及用于接收系统和发射系统共用的天线；所述第一耦合器的输入端连接雷达系统的发射端口，直通端和电桥的一个输入端口相连；所述第二耦合器的输入端连接雷达系统的接收端口，直通端和电桥的另一个输入端口相连；且所述第一耦合器的耦合端口与第二耦合器的隔离端口通过传输线相连；其中：
所述电桥用于将发射和接收两路信号合成一路；
所述第一耦合器和第二耦合器用于取出一部分发射信号来对消接收信号中泄漏的发射信号，以增加满足一定隔离度要求的带宽。
作为优选，所述第一耦合器和第二耦合器均为Wilkinson功分器、直接耦合式定向耦合器、分支线耦合器、Lange耦合器和混合环耦合器中的任意一种。
作为优选，所述电桥为Wilkinson功分器、90度电桥、180°电桥中的任意一种。
本发明的设计原理在于，其在发射和接收通路上分别串联一个耦合器，并将其中一个耦合器的耦合端和另一个耦合器的隔离端连接起来，通过调整电路参数，第一耦合器会将发射信号取出一部分，而这部分信号经过传输线移相后，通过第二耦合器耦合到接收链路中，同发射信号经过所述电桥和其他路径泄漏到接收链路中的信号相抵消，如此一来，便可有效提高发射信号和接收信号之间的隔离度和隔离度带宽。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明结构合理、设计非常巧妙，其通过在信号通路中串入耦合器，并引入对消机制的方式，显著增强了收发系统的隔离度，并提高了隔离度带宽。以介质为0.254mm厚、且材质RogersR04350B的PCB为例，本发明采用微带线实现的90度电桥结合耦合器的方式，可使隔离度为-30db的带宽调整到1Ghz以上，从而比单纯使用90度电桥的方式所实现的隔离度带宽提高了30%。
（2）本发明通过调整耦合器的耦合度，并调整耦合器的设置位置及连接两个耦合器之间的传输长度来获得最佳的隔离度带宽（仿真和调试都比较简单方便，技术和工艺上很容易实现），从而可以灵活微调最佳隔离度的频点。
（3）本发明所设计的结构完全可以在PCB上实现，从而在能有效解决收发共用一副天线的隔离度问题的同时，还能很好地满足雷达小型化和集成化的要求，因而制造成本非常低廉，性价比相当高。
附图说明
图1为基于环形器的收发共用一副天线方案的结构示意图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为本发明的一种实施示意图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-第一耦合器，2-第二耦合器，3-电桥，4-天线。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例
如图2所示，本发明提供了一种便于集成、且小型化的收发共用天线结构，其包括第一耦合器1、第二耦合器2、电桥3和天线4。
所述电桥3输出端连接天线4，与输出端口对应的隔离端口接匹配负载，天线4为接收系统及发射系统复用的天线。
所述第一耦合器1的输入端连接雷达系统的发射端口，直通端和电桥3的一个输入端口相连；所述第二耦合器2的输入端连接雷达系统的接收端口，直通端和电桥3的另一个输入端口相连。并且，所述第一耦合器1的耦合端口与第二耦合器2的隔离端口通过微带线相连。本实施例中，第一耦合器1通过微带线与第二耦合器2连接，通过调整第一耦合器和第二耦合器的耦合度，以及两个耦合器分别在发射和接收通路之中的位置，并调整微带线的电长度，可以使得上述两部分进入接收通路的发射信号大小相等、且相位相差180°，进而可使两路发射信号相互抵消，由此来提高发射信号和接收信号之间的隔离度，并增加隔离度带宽。
本实施例中，上述第一耦合器1和第二耦合器2均为Wilkinson功分器、直接耦合式定向耦合器、分支线耦合器、Lange耦合器和混合环耦合器中的任意一种；而电桥3则为Wilkinson功分器、90度电桥、180°电桥中的任意一种。
以K波段为例，对本发明所述的天线结构方案进行阐述。
所述的电桥采用90°电桥，PCB板材采用RO4350B，基板厚度0.254mm，90°电桥、耦合器均用微带线实现连接，如图3所示。按照本发明所述的结构，其构成的基于电桥的K波段收发共用一副天线的结构，收发隔离度可以做到30dB以上，带宽可达1GHz，比单纯使用90度电桥的方式，带宽提高了30%，而整体天线的尺寸仅有11.2mm×7.5mm。
本发明结构虽然简单，但是并不容易想到，其细节上的考虑和设计，紧密性非常强，环环相扣，而由细节构成的整体也大幅优化了雷达的性能，为满足雷达的集成化和小型化提供了良好的铺垫，并做到了技术与成本的相对平衡。因此，本发明与现有技术相比，技术进步明显，具有突出的实质性特点和显著的进步。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种提高雷达系统收发信号隔离度的收发共用型天线结构，其特征在于，包括第一耦合器（1）、第二耦合器（2）、电桥（3）以及用于接收系统和发射系统共用的天线（4）；所述第一耦合器（1）的输入端连接雷达系统的发射端口，直通端和电桥（3）的一个输入端口相连；所述第二耦合器（2）的输入端连接雷达系统的接收端口，直通端和电桥（3）的另一个输入端口相连；且所述第一耦合器（1）的耦合端口与第二耦合器（2）的隔离端口通过传输线相连；其中：
所述电桥用于将发射和接收两路信号合成一路；
所述第一耦合器和第二耦合器用于取出一部分发射信号来对消接收信号中泄漏的发射信号，以增加满足一定隔离度要求的带宽。
2.根据权利要求1所述的一种提高雷达系统收发信号隔离度的收发共用型天线结构，其特征在于，所述第一耦合器（1）和第二耦合器（2）均为Wilkinson功分器、直接耦合式定向耦合器、分支线耦合器、Lange耦合器和混合环耦合器中的任意一种。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高雷达系统收发信号隔离度的收发共用型天线结构，其特征在于，所述电桥（3）为Wilkinson功分器、90度电桥、180°电桥中的任意一种。
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