Ku/V波段双频辐射计
技术领域
本发明涉及一种无线信号接收装置,特别是涉及一种外差式下变频无线信号接收装置。
背景技术
现有技术对大气环境的测量,多是基于单波段辐射计的测量,会形成测量数据的采集要素离散化。由于对大气湿度、温度的测量精度要求越来越高,单波段辐射计已无法实现必要的精确测试,于是对双频段辐射计的需求日益迫切。已有的频段Ku频段及V波段双拼辐射计,由于具有较高的频率,其探测精度较以往的低频单波段的辐射计具有更精确的测试效果。但是,波段Ku波段、V波段属于毫米波段,对前端设备的技术要求有着更高的要求。如何实现前端信号接收部分多通道扫描的一致性和稳定性,是期待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种Ku/V波段双频辐射计,解决现有信号接收过程中进行多通道扫描时,测量信号的一致性和稳定性不能稳定控制的技术问题。
本发明的Ku/V波段双频辐射计,包括两个独立的前端无线信号接收处理通道,一个用于接收Ku波段信号并进行信号处理,形成数字信号序列输出,另一个用于接收V波段信号并进行信号处理,形成数字信号序列输出,前端无线信号接收处理通道通过接入相同的频率综合器,交替获得相关的频谱搬移信号源;
频率综合器,用于接收控制数据,形成稳定的基准频率输出,保证后续合成频率的信号强度。
包括的Ku频段前端无线信号接收处理通道包括第一天线馈源,用于接收大气空间辐射的Ku波段的无线信号,通过软波导连接后续的Ku波段接收机,Ku波段接收机信号处理形成低频信号的数字信号序列输出;
Ku波段接收机包括:
第一定向耦合器,用于将输入的无线信号进行取样,耦合输入的功率信号进行功率分配,实现特定的取样信号隔离和输出;
第一隔离器,用于与输入端馈源进行阻抗匹配,避免相邻波道间频率互调后输出;
第一高频放大器,用于将输入的特定通频带的高频小功率信号进行线性放大并输出;
第一混频器,用于接收输入的高频信号和标准中频信号,形成中频输出信号;改变信号的量值,实现频谱搬移;
第一滤波器,用于对输入的中频信号进行选频,衰减选频范围之外的功率信号并输出;
第一中频放大器,用于将输入的中频信号进行功率放大并输出;满足中频信号的线性放大;
第一检波器,用于对输入的中频信号进行中频正交检波,获取高信噪比的低频信号输出;
第一低频放大器,用于对输入的低频信号进行信号增益提升并输出;实现至倍的线性放大;
第一积分式AD转换器,用于将输入的低频信号进行模数抽样,形成数字信号序列输出;
第一PIN开关,用于周期性导通第一定向耦合器与Ku频段噪声标准的功率信号传输通道;
Ku频段噪声标准源,用于提供Ku频段的背景功率信号输出;
第一定向耦合器、第一隔离器、第一高频放大器、第一混频器、第一滤波器、第一中频放大器、第一检波器、第一低频放大器和第一积分式AD转换器依次连接,Ku频段噪声标准源通过第一PIN开关接入第一定向耦合器的另一个输入端。
包括的V频段前端无线信号接收处理通道包括第二天线馈源,用于接收大气空间辐射的V波段的无线信号,通过软波导连接后续的V波段接收机,V波段接收机信号处理形成低频信号的数字信号序列输出;
V波段接收机包括:
第二定向耦合器,用于将输入的无线信号进行取样,耦合输入的功率信号进行功率分配,实现特定的取样信号隔离和输出;
第二隔离器,用于与输入端馈源进行阻抗匹配,避免相邻波道间频率互调后输出;
第二高频放大器,用于将输入的特定通频带的高频小功率信号进行线性放大并输出;
第二混频器,用于接收输入的高频信号和标准中频信号,形成中频输出信号;改变信号的量值,实现频谱搬移;
第二滤波器,用于对输入的中频信号进行选频,衰减选频范围之外的功率信号并输出;
第二中频放大器,用于将输入的中频信号进行功率放大并输出;满足中频信号的线性放大;
第二检波器,用于对输入的中频信号进行中频正交检波,获取高信噪比的低频信号输出;
第二低频放大器,用于对输入的低频信号进行信号增益提升并输出;实现至倍的线性放大;
第二积分式AD转换器,用于将输入的低频信号进行模数抽样,形成数字信号序列输出;
第二PIN开关,用于周期性导通第二定向耦合器与V频段噪声标准源的功率信号传输通道;
V频段噪声标准源,用于提供V频段的背景功率信号输出;
第二定向耦合器、第二隔离器、第二高频放大器、第二混频器、第二滤波器、第二中频放大器、第二检波器、第二积分式AD转换器和第二低频放大器依次连接,V频段噪声标准源通过第二PIN开关接入第二定向耦合器的另一个输入端。
还包括:
谐振放大器,用于将输入的基准频率进行线性放大并输出;
通道切换开关,用于根据控制信号周期性将输入信号切换至不同的输出端口;
第三滤波器,用于对输入的中频信号进行选频,衰减选频范围之外的功率信号并输出;
倍频器,用于对输入的中频信号进行倍频,形成较高的中频信号并输出;
频率综合器通过谐振放大器接入通道切换开关的输入端,通道切换开关的一个输出端直接连接第一混频器的另一个输入端,通道切换开关的另一个输出端顺序连接第三滤波器和倍频器后接入第二混频器的另一个输入端。
设置设备箱体,在箱体内设置固定设备的支撑框架,在箱体的前端上部、顶部和后端上部形成接收敞口,采用透波材料覆盖接收敞口,采用透波材料利用支撑框架支撑;
在设备箱体内部左端,设置固定框架,将抛物面天线的后端中心固定在固定框架的三自由度铰接固定支架上,锁紧固定;在抛物面天线口面中心的水平延长线上,设置与抛物面天线口面平行的极化分离栅,极化分离栅的中心位于抛物面天线口面中心的水平延长线上;
极化分离栅为正圆板状,极化分离栅的外壁两端,以转动固定的方式固定在支撑框架上;外壁两端位于与抛物面天线口面中心的水平延长线垂直的直径方向;
第一天线馈源采用第一波纹喇叭天线,第二天线馈源采用第二波纹喇叭天线,第一波纹喇叭天线通过软波导连接Ku波段接收机,第二波纹喇叭天线通过软波导连接V波段接收机;
第二波纹喇叭天线的口面中心位于抛物面天线口面中心的水平延长线上,第一波纹喇叭天线的口面中心位于与抛物面天线口面中心的水平延长线垂直,且通过极化分离栅的中心的垂直水平面的垂线上,极化分离栅的中心、第一波纹喇叭天线的口面中心和第二波纹喇叭天线的口面中心与抛物面天线55口面中心位于同一平面内。
Ku波段接收机、V波段接收机固定在设备箱体内壁上,温湿度监控设备(如集成温度传感器和湿度传感器的PID反馈电路)和受其控制的温湿度调节设备(如变频恒温恒湿空调)固定在设备箱体内底部。
极化分离栅由边缘圆环和固定在其中的栅格组成;
边缘圆环采用工业纯铝材料;
栅格采用透波材料圆板,在朝向抛物面天线口面的端面上均匀开设平行的矩形通槽,在矩形通槽中电镀铝膜填充矩形通槽。
在背向抛物面天线口面的端面上,开设同心的环形槽。
环形槽间距与矩形通槽间距相同。
透波材料采用Kevlar材料。
本发明的Ku/V波段双频辐射计,保证了对前端接收的无线信号的高质量扫描和稳定高速的采样处理性能,保证了不同频段信号的高度时间一致性,信号处理结构简单,处理过程稳定可靠。从而有利于后端处理设备实现对空中水汽和云液水含量的精确测量。
采用合理设计,使得接收的无线信号可以高精度地实现接收时间同步,使得双频无线信号反馈的大气物理状态的不同量程参数具有无可比拟的相关性,使得后端处理设备可以获得不同级别处理数据间的内在相关属性,获得数据处理过程中的额外精度。
采用特殊结构设计,使得双频信号的辐照得以增强,为信号接收天线获得较高的相应频段的信号接收强度提供了良好的初始条件。
附图说明
图1为本发明Ku/V双频辐射计的前端接收电路结构示意图;
图2为本发明Ku/V双频辐射计的前端天馈接收结构示意图;
图3位本发明Ku/V双频辐射计的前端天馈信号分离结构示意图;
图4位本发明Ku/V双频辐射计的前端天馈信号分离结构的局部放大剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示,本实施例中形成了Ku/V双频辐射计的两个独立的前端无线信号接收处理通道,一个用于接收Ku波段(22~30GHz)信号并进行信号处理,形成数字信号序列输出,另一个用于接收V波段(51~59GHz)信号并进行信号处理,形成数字信号序列输出,前端无线信号接收处理通道通过接入相同的频率综合器,交替获得相关的频谱搬移信号源。
Ku频段前端无线信号接收处理通道包括第一天线馈源101,用于接收大气空间辐射的Ku波段的无线信号,通过软波导连接后续的Ku波段接收机,Ku波段接收机信号处理形成低频信号的数字信号序列输出;
Ku波段接收机包括:
第一定向耦合器102,用于将输入的无线信号进行取样,耦合输入的功率信号进行功率分配,实现特定的取样信号隔离和输出;
第一隔离器103,用于与输入端馈源进行阻抗匹配,避免相邻波道间频率互调后输出;
第一高频放大器104,用于将输入的特定通频带的高频小功率信号进行线性放大并输出;
第一混频器105,用于接收输入的高频信号和标准中频信号,形成中频输出信号;改变信号的量值,实现频谱搬移;
第一滤波器106,用于对输入的中频信号进行选频,衰减选频范围之外的功率信号并输出;
第一中频放大器107,用于将输入的中频信号进行功率放大并输出;满足中频信号的线性放大;
第一检波器108,用于对输入的中频信号进行中频正交检波,获取高信噪比的低频信号输出;
第一低频放大器109,用于对输入的低频信号进行信号增益提升并输出;实现100至2000倍的线性放大;
第一积分式AD转换器110,用于将输入的低频信号进行模数抽样,形成数字信号序列输出;
第一PIN开关111,用于周期性导通第一定向耦合器102与Ku频段噪声标准112的功率信号传输通道;
Ku频段噪声标准源112,用于提供Ku频段的背景功率信号输出。
V频段前端无线信号接收处理通道包括第二天线馈源201,用于接收大气空间辐射的V波段的无线信号,通过软波导连接后续的V波段接收机,V波段接收机信号处理形成低频信号的数字信号序列输出;
V波段接收机包括:
第二定向耦合器202,用于将输入的无线信号进行取样,耦合输入的功率信号进行功率分配,实现特定的取样信号隔离和输出;
第二隔离器203,用于与输入端馈源进行阻抗匹配,避免相邻波道间频率互调后输出;
第二高频放大器204,用于将输入的特定通频带的高频小功率信号进行线性放大并输出;
第二混频器205,用于接收输入的高频信号和标准中频信号,形成中频输出信号;改变信号的量值,实现频谱搬移;
第二滤波器206,用于对输入的中频信号进行选频,衰减选频范围之外的功率信号并输出;
第二中频放大器207,用于将输入的中频信号进行功率放大并输出;满足中频信号的线性放大;
第二检波器208,用于对输入的中频信号进行中频正交检波,获取高信噪比的低频信号输出;
第二低频放大器209,用于对输入的低频信号进行信号增益提升并输出;实现100至2000倍的线性放大;
第二积分式AD转换器210,用于将输入的低频信号进行模数抽样,形成数字信号序列输出;
第二PIN开关211,用于周期性导通第二定向耦合器202与V频段噪声标准源212的功率信号传输通道;
V频段噪声标准源212,用于提供V频段的背景功率信号输出。
还包括:
频率综合器301,用于接收控制数据,形成稳定的基准频率输出,保证后续合成频率的信号强度;
谐振放大器302,用于将输入的基准频率进行线性放大并输出;
通道切换开关303,用于根据控制信号周期性将输入信号切换至不同的输出端口;
第三滤波器304,用于对输入的中频信号进行选频,衰减选频范围之外的功率信号并输出;
倍频器305,用于对输入的中频信号进行倍频,形成较高的中频信号并输出。
第一定向耦合器102、第一隔离器103、第一高频放大器104、第一混频器105、第一滤波器106、第一中频放大器107、第一检波器108、第一低频放大器109和第一积分式AD转换器110依次连接,Ku频段噪声标准源112通过第一PIN开关111接入第一定向耦合器102的另一个输入端;
第二定向耦合器202、第二隔离器203、第二高频放大器204、第二混频器205、第二滤波器206、第二中频放大器207、第二检波器208、第二积分式AD转换器210和第二低频放大器209依次连接,V频段噪声标准源212通过第二PIN开关211接入第二定向耦合器202的另一个输入端;
频率综合器301通过谐振放大器302接入通道切换开关303的输入端,通道切换开关303的一个输出端直接连接第一混频器105的另一个输入端,通道切换开关303的另一个输出端顺序连接第三滤波器304和倍频器305后接入第二混频器205的另一个输入端。
本实施例中Ku/V双频辐射计前端采用了频率扫描的外差式下变频接收机结构,为了保证至少12个频点通道测量,本振采用程控频综扫描模式,由本振开关切换选择Ku波段和V波段接收机,其中Ku波段频综信号直接馈入Ku频段混频器,V波段频综信号经过一个倍频器和滤波器再馈入V频段混频器。Ku通道与V通道中频输出后进行检波、低放、积分和AD采集(输入电压范围5V,16位)处理,最后输出到AD数据采集模块转换为数字信号进行后续处理。
利用共有的频率综合器301,产生本振信号可以很好地保持双通路信号的一致性,
如图2所示,第一天线馈源101采用第一波纹喇叭天线51,第二天线馈源201采用第二波纹喇叭天线53,第一波纹喇叭天线51通过软波导连接Ku波段接收机52,第二波纹喇叭天线53通过软波导连接V波段接收机54;
设置设备箱体61,在箱体61内设置固定设备的支撑框架62,在箱体的前端上部、顶部和后端上部形成接收敞口,采用透波材料覆盖接收敞口,采用透波材料利用支撑框架62支撑;
在设备箱体61内部左端,设置固定框架56,将抛物面天线55固定在固定框架56的三自由度铰接固定支架上,锁紧固定;三自由度铰接固定支架保证抛物面天线55调整指向方向时,抛物面天线55口面中心保持固定,不发生位移;
在抛物面天线55口面中心的水平延长线上,设置与抛物面天线55口面平行的极化分离栅59,极化分离栅59的中心位于抛物面天线55口面中心的水平延长线上;
极化分离栅59为正圆板状,极化分离栅59的外壁两端,以转动固定的方式固定在支撑框架62上;
外壁两端位于与抛物面天线55口面中心的水平延长线垂直的直径方向;
透波材料采用Kevlar薄膜;
第二波纹喇叭天线53的口面中心位于抛物面天线55口面中心的水平延长线上,第一波纹喇叭天线51的口面中心位于与抛物面天线55口面中心的水平延长线垂直,且通过极化分离栅59的中心的垂直水平面的垂线上,极化分离栅59的中心、第一波纹喇叭天线51的口面中心和第二波纹喇叭天线53的口面中心与抛物面天线55口面中心位于同一平面内;
Ku波段接收机52、V波段接收机54固定在设备箱体61内壁上,温湿度监控设备57(如集成温度传感器和湿度传感器的PID反馈电路)和受其控制的温湿度调节设备58(如变频恒温恒湿空调)固定在设备箱体61内底部。
抛物面天线55将入射波反射至极化分离栅59,将入射波分成水平极化和垂直极化的两束波,分别进入Ku波段接收机52、V波段接收机54的波纹喇叭天线,从而完成两个波段的信号接收。此结构抛物面与波纹喇叭、接收机完全分离,实现结构简单,转台负荷仅为抛物反射面,降低了转台成本。由于接收机与其它结构可以完全分离,可单独隔热、单独进行温度控制,实现两级温控,提高了对接收机温度控制精度。所有输出信号接口采用排线或者其他形式统一输出。
通过对馈元结构的合理设计,可以保证信号接收的稳定性,保证信号接收路径的等距,保证消除物理背景噪声。
如图3所示,极化分离栅59由边缘圆环71和固定在其中的栅格72组成;
边缘圆环71采用工业纯铝材料;保证散热性,以减小反射面的热变形;
栅格72采用Kevlar圆板,在朝向抛物面天线55口面的端面上均匀开设平行的矩形通槽,在矩形通槽中电镀铝膜73填充矩形通槽,在背向抛物面天线55口面的端面上,开设同心的环形槽74;
环形槽74间距与矩形通槽间距相同。
利用以上极化分离栅59可以在反射一种波束时减弱反射面的热变形,保持格栅的精确稳定性避免出现漏射损耗,降低信号强度,环形槽74视线利用透波材料微小的交替损耗差别形成有限的波束汇聚,提高单位表面积内的信号强度。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,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,可轻易想到的变化或替换,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该以权利要求书的保护范围为准。