CN108459302A - 线性调频连续波雷达收发前端 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种线性调频连续波雷达收发前端，旨在提供一种结构简单，集成度高，体积小，易于一体化实现集成的收发前端。本发明通过下述技术方案予以实现：发射天线(4)和接收天线(5)分别集成在上腔体(1)的圆柱体发射通道和接收通道中，发射通道和接收通道对称中心轴线，射频电路(3)安装在下腔圆柱体上面的圆盘腔体中，射频电路(3)通过发射链路、接收链路，以电磁耦合的方式，与发射天线和接收天线实现能量的传输；波形发生器将产生的调制信号v(t)输入到射频电路3中的压控振荡器，压控振荡器将该调制信号调频到微波频段，将产生的调频信号通过多次倍频放大后，作为发射天线(4)的发射信号发射出去。

Description

线性调频连续波雷达收发前端
背景技术
随着及数字技术与信号处理技术的不断发展，采用线性调制方式的FMCW雷达成为了目前研究和应用的主要目标。毫米波LFMCW雷达结合了毫米波雷达和LFMCW雷达的优点，日益受到世界各国的重视。与微波雷达相比，毫米波LFMCW雷达可以实现更宽的调频带宽，获得更高的距离分辨率，即使用较小的天线，也能产生很高的角度分辨率；与传统的脉冲雷达相比，LFMCW雷达要求较低的发射峰值功率。它采用连续波体制消除了距离盲区，采用大的带宽获得高的距离分辨率和测距精度，而且该雷达的信号处理系统更为简单。因而毫米波LFMCW雷达具有体积小、重量轻，探测分辨率高、发射功率小、无距离盲区，特别是其良好的低截获概率性能的特点，受到人们关注。毫米波线性调频连续波(LFMCW)探测系统以其探测精度高、毫米波LFMCW探测系统结构简单，成本低，与普通微波探测系统相比，受云、雨、雾等天气条件的影响相对较小，它容易实现大的调频带宽，能够获得更高的分辨率和更好的测距精度。由于连续波雷达的体制特点，发射机和接收机间的隔离是所有连续波雷达的难题。当发射机发射的功率很大时，由于发射与隔离的问题，发射信号泄漏到接收通道的信号以及发射天线，直接泄漏到接收天线的信号会影响弱信号的接收，严重情况下会造成接收通道的饱和，导致发射功率泄漏到接收机将阻塞接收机，因而隔离度的问题限制了发射功率的大小，使其作用距离受到限制。目前，毫米波LFMCW雷达受到器件限制，发射功率较小，影响了LFMCW雷达的作用距离，限制了其应用范围。发射端的频率源的线性度和带宽范围及发射功率的大小直接影响到作用距离以及精度。对各种毫米波系统来说，收发前端的性能指标非常重要，往往对整个系统的性能指标起到决定性作用。传统采用波导立体电路，其技术比较成熟。但这种方式必然会致使整个前端系统的体积过大，接口多，很难保证极化方向的一致。由于过多接口造成的泄露而使得部件之间产生信号串扰，各接口间的干扰会使得很难解决高频系统电磁兼容的问题。为提高雷达系统的探测能力，分辨能力和测量精度，则要求发射的信号有大的时宽，带宽以及能量乘积。通常大的时带积信号采用线性调频，非线性调频，相位编码，频率编码等方式。为了充分利用发射机峰值功率，一般不希望采用调幅信号。雷达系统的收发前端是由天线，发射机，接收机，信号处理机和终端设备等组成的比较复杂的系统。为了更好的抑制杂波，要求发射信号具有很高的频率稳定度。雷达收发前端一般工作在微波或者毫米波频段，工作在毫米波频段的雷达收发前端具有体积小，分辨率高等特点，同时，硬件成本也高于工作在微波频段的雷达收发前端。雷达发射机实现的功能与接收机相反，主要完成信号倍频及功率放大。通常雷达发射机主要分为脉冲调制发射机和连续波发射机。雷达发射机主要任务是为雷达系统提供满足特定要求的大功率发射信号。在发射机中，发射频率的精度和稳定度由低功率频率源决定。雷达接收机是雷达系统的重要组成部分。它的主要任务是将从天线接收到的各种外来干扰，杂波，以及接收机内部噪声中通过滤波，放大，变频等方式得到有用的回波信号给信号板处理。在接收机中，信号需要经过低噪声放大器、滤波器等多个器件，每个器件都会引入噪声，信号经过这些器件后噪声功率变大，输入信噪比在一定程度变差。由于接收机输出目标回波差拍信号幅度与雷达到目标距离的四次方成反比，信号随着距离的增大，信号幅度迅速衰减，另外，发射信号的泄漏影响回波信号的接收，接收机一部分泄漏信号经低噪放泄漏到天线，对邻近的信道造成干扰。同时当天线接收到的很强的干扰信号时泄漏到本振端口，与天线接收到的干扰信号混频，也会产生直流分量。另外由于闪烁噪声对低频情况影响较大，所以它对零中频接收机干扰较大，会降低信号的信噪比，影响AD对信号的处理。其次IQ失配等问题会对零中频接收机的信号处理造成误码率的增加。按照电路的结构来划分，现代接收机通常分为射频微波毫米波前端和数字后端两大部分。前端是指从天线到模数转换器这部分硬件电路，它将微弱的射频输入信号尽可能不失真地放大，并降低为一个更容易处理的中频甚至是基带信号，然后再转换为数字信号交给数字后端电路进行处理。接收机的作用是通过天线收集发射端送来的微弱的电磁波信号，从传播信道内众多的电磁波中选出规定的频带，并逐级加以放大和降频，使经过遭受到环境衰落的信号成为有用的信息并拥有最小的失真度，而接收前端对整个接收机起着关键的作用，所以设计和制造出集成度高、重量轻、性能优良、可靠性高的接收前端意义非常大。通常接收前端包括波导、探针、微带过渡、收发隔离开关、两级低噪声放大器、微带镜频抑制滤波器、二次谐波混频器、微带功分器、中频放大器和电源部分。其中，波导、探针、微带过渡对整个接收前端系统的噪声系数影响最大。目前产生调频信号的方案基本有以下二种方式一是DDS+倍频技术+上变频技术，二是DDS+PLL混合频率合成技术。DDS+倍频技术+上变频技术虽然可以获得很快的频率跳变速度，并且容易实现，可以将频率扩展到微波以及毫米波，具有相位噪声好，频率跳变时间快等优点，但是其电路复杂，调试起来麻烦。不可否认DDS有极好的频率分辨率，高速的频率切换时间，很好的相位噪声，但它输出频率较低。传统的锁相环电路输出频率高，相位噪声好，其缺点是频率跳变时间较长。由于经频率源锁相环输出的扫频信号无法达到毫米波，需要经过倍频器对其实现倍频，然后由功率放大器实现放大，滤波后送给发射天线，通过发射天线将该扫频信号发射到空间当中。由于LFMCW雷达实现对目标的检测需要用到窄带滤波器组，从而导致设备体积随着作用距离的增大而变大，这对于生产及应用是极为不便的。因此，在过去很长一段时间里，LFMCW雷达无法大范围得到应用。对于LFMCW雷达毫米波前端，前几级器件对整个系统的系统噪声起关键性作用，需要考虑的主要性能参数包括：接收灵敏度、噪声系数、功率动态范围、发射机输出功率等。在一般的线性调频雷达系统中，包括三角波信号发生器、射频前端模块、中频信号处理模块、基带信号处理模块以及电源模块。频综模块产生扫频信号，经射频前端模块处理后经天线发射到自由空间，电磁波遇到障碍物后返回至接收天线，经射频前端模块下变频为中频信号。此时的中频信号功率十分低，需要中频信号处理模块对其进行滤波、放大处理后才能输出给基带。基带信号处理模块对该信号进行处理。接收的射频信号第一次下变频前，会经过滤波器和LNA器件，再次变频后得到的信号即为基带信号。其中，射频滤波器主要用于抑制带外杂波信号，镜像抑制滤波器用于衰减镜像干扰信号。中频滤波器则用于信道的选择，该滤波器的性能直接影响接收机的灵敏度和选择性指标。滤波器的实现难度大、成本高而且尺寸也较大。
在毫米波FMCW系统中,接收本振信号直接由发射信号提供,毫米波前端作为毫米波雷达的关键组成部分，主要实现雷达系统的变频以及功率放大。低噪声放大器LNA、滤波器、混频器是接收通道必备的元器件，对于毫米波前端系统，如何实现各器件以及整体系统的功能是一大难点；另外，如何缩小尺寸也是毫米波前端设计与实现的一个难点。由于调频连续波雷达采用的是大时宽带宽带积信号，所以速度和距离必然存在耦合问题，这样便使得实际的距离分辨力降低，导致测距误差的存在。调频连续波雷达的发射机和接收机是同时工作的。当收发信号使用同一副天线时，发射机功率的泄露将会阻塞接收机，发射功率不能太大，这样便使得测量距离较近，同时测量多个目标困难，如果想同时对多个目标进行测量，就要使用大量的滤波器，使得装置过于复杂，不方便使用。射频部分将收发组件作为与天线相连接的最前端，对整个雷达的接收信号和发射信号性能起着至关重要的作用。不同雷达体制下组件结构略有不同，电路形式的复杂程度也不相同，但其工作原理是相通的。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处：提供一种结构简单，集成度高，体积小，成本相对较低，易于一体化实现集成线性调频连续波雷达收发前端。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种线性调频连续波雷达收发前端，包括：分为上腔体1和下腔体2两部分组成的收发前端，通过螺钉固定在上腔体1和下腔体2两腔体之间的射频电路3、相连射频电路3的波形产生电路和中频信号处理器，其特征在于，发射天线4和接收天线5分别集成在上腔体1的圆柱体发射通道和接收通道中，发射通道和接收通道对称中心轴线，射频电路3安装在下腔圆柱体上面的圆盘腔体中，射频电路3通过发射链路、接收链路，以电磁耦合的方式，与发射天线4和接收天线5实现能量的传输；波形发生器将产生的调制信号v(t)输入到射频电路3中的压控振荡器，压控振荡器将该调制信号调频到微波频段，将产生的调频信号通过多次倍频放大后，作为发射天线4的发射信号发射出去。发射天线和接收天线均采用波导天线形式，集成于上腔体1。
本发明利用毫米波天线器件小巧的优势，将收发天线一体化集成在腔体结构中，提高了射频前端的集成度，缩小了毫米波收发前端的尺寸，实现了小型化。并且结构简单，容易实现，降低了制造成本。毫米波电路部分采用自差式混频方式，不再需要中频滤波器选频，只需简单的低通滤波器和混频器及放大器，即可通过将压控振荡器产生的信号多次倍频至毫米波频段，中频信号经由滤波、放大后输出，实现高频段，大带宽。接收链路不需要低噪声放大器，不需要片外的高Q值的滤波器，有效降低了收发前端的器件成本。
本发明在接收信号送入中频的数字信号处理前，通过对接收信号的滤波，将射频信号下变频为中频信号，可以抑制一定的镜像信号和杂波信号。发射链路采用多次倍频放大，容易实现比较宽的发射信号带宽，N次谐波混频器输出端连接滤波器减小了不需要的基波和谐波信号。倍频器和放大器分腔隔离，减小了各级之间的泄漏，倍频段的放大器选取输出功率较高的放大器，减小了信号放大时的谐波带来的杂散信号。压控振荡器产生发射信号，然后通过多次倍频放大后，混频器产生多次谐波，混频器将射频波段的信号下变频至中频信号输出，雷达发射机将低频交流能量转换成射频能量，由发射天线发射出去，将射频能量辐射至空间，为雷达系统提供符合要求的射频发射信号，降低了对信号源的要求。接收天线接收到回波信号，通过谐波混频器直接下变频到中频，变频后输出中频信号频率接近为零，避免了镜频干扰，简化了接收机的结构，因此输入端不存在镜像频率。
本发明将发射天线4和接收天线5分别集成在上腔体1的圆柱体发射通道和接收通道中，发射通道和接收通道对称中心轴线，增加了两通道之间的隔离度。发射天线4和接收天线5通过隔腔隔离增加接收通道的本振与接收机前端的隔离度，可防止本振信号泄漏到接收机前端影响弱信号接收和发射信号直接泄漏到接收前端影响弱信号接收，保证了最大泄漏信号为较小，而不会使得接收系统出现饱和的现象。
本发明适合对成本和抗干扰能力有苛刻要求的大批量、低成本的线性调频连续波(LFMCW)雷达项目。
附图说明
图1是线性调频连续波雷达收发前端的剖视图。
图2是图的俯视图。
图3是图1收发前端的电路原理框图。
图4是图3压控振荡器产生的信号频谱示意图。
图5是压控振荡器产生的信号与发射信号的频谱对比示意图。
图6是中频信号1频谱示意图。
图7是中频信号2频谱示意图。
图中：1上腔体，2下腔体，3射频电路，4发射天线，5接收天线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施步骤对本发明提出的一体化集成线性调频连续波雷达收发前端进行详细说明。
参阅图1-图3。一种线性调频连续波雷达收发前端，包括：分为上腔体1和下腔体2两部分组成的收发前端，通过螺钉固定在上腔体1和下腔体2两腔体之间的射频电路3、相连射频电路3的波形产生电路13和中频信号处理器14。上腔体1和下腔体2为金属材料，上腔体制有对称中心轴线的发射通道和接收通道，发射天线4和接收天线5分别集成在上腔体1的发射通道和接收通道中，直接形成发射天线4和接收天线5。下腔体2圆柱体上制有下陷圆盘腔体，上腔体1和下腔体2通过焊接或者螺装方式的螺钉连接形成结合面间的圆盘腔体，射频电路3电路板固定安装在结合面形成的圆盘腔体的台阶面上。
射频电路3通过电磁耦合的方式与发射天线4和接收天线5实现能量的传输，波形发生器产生的调制信号v(t)输入到射频电路3中的压控振荡器。压控振荡器将该调制信号调频到微波频段，输出频率为fr的调频信号，该调频信号经过倍频放大器倍频M次并放大，倍频放大后，信号被放大为带宽M×Brf、频率M×fr的调频发射信号，倍频放大后输入到功分器中，功分器将输入信号分为两路，一路调频发射信号经过倍频器N次倍频后，由发射天线4发射出去，另一路作为接收链路中N次谐波混频器的本振信号，输出到接收机做本振信号使用。本振信号的本振频率M×fr等于输入载波的频率，当射频信号进入接收通道后直接与频率相同的本振信号进行下变频，然后经过低通滤波器处理送往中频信号处理器进行处理，其中，M为≥2的整数，Brf为带宽。接收天线5接收到目标回波信号后经由N次谐波混频器下变频为中频信号1，将得到的中频信号1和本振信号提供给滤波器进行滤波，经放大器放大获得的中频信号2，放大器把获得的中频信号2输出到中频信号处理器进行处理，输出接近为零的零中频信号频率。
经压控振荡器调制输出信号其中，A0为雷达的载频、f0为雷达的工作频率，kf为常数，t为时间，为初始相位。频谱如图3所示。
波形发生器产生电压为v(t)，频率为Fm的调制信号，调制信号的类型可为三角波信号、锯齿波信号或正弦波信号等。
射频电路3包括顺次相连的倍频器、功分器、倍频放大器、压控振荡器，以及功分器顺次串联的N次谐波混频器、滤波器和放大器。
功分器输出的调频发射信号经过倍频器倍频N次后，输出频率为N×M×fr，带宽为N×M×Brf的发射信号的信号。发射信号通过N次谐波混频器，与频率为M×fr的本振信号混频后，与接收天线5接收到的回波信号一起经N次谐波混频器下变频为只包含距离和速度信息的M×(fb+fd)的中频信号，中频信号频谱示意图见图4。
由于雷达与目标之间的相对运动，信号会发生多普勒频移，所以接收天线5回波信号的频率为M×N×(fr+fb+fd)，接收到M×N×fr为的频率的回波信号会叠加上多普勒频率Fd，其中vd为雷达与目标相对运动速度，λ为发射信号波长，θ为雷达运动方向与目标的夹角。
接收天线5接收到的由于目标回波信号在空间传播产生的时间延迟，到达接收机时瞬时频率与发射信号的频率具有频差M×N×fb，回波信号经N次谐波混频器下变频后，信号频率变为M×(fb+fd)的中频信号1，该中频信号1只包含距离和速度信息，中频信号1分别经过滤波器滤波和放大器放大后，输出到中频信号处理器进行中频信号处理，可提取出对应的距离和速度信息，其中，M×N×fd为雷达与目标相对运动引起的多普勒频率。
中频信号频谱示意图见图4。

Claims (10)

1.一种线性调频连续波雷达收发前端，包括：分为上腔体(1)和下腔体(2)两部分组成的收发前端，通过螺钉固定在上腔体(1)和下腔体(2)两腔体之间的射频电路(3)、相连射频电路(3)的波形产生电路和中频信号处理器，其特征在于，发射天线(4)和接收天线(5)分别集成在上腔体(1)的圆柱体发射通道和接收通道中，发射通道和接收通道对称中心轴线，射频电路(3)安装在下腔圆柱体上面的圆盘腔体中，射频电路(3)通过发射链路、接收链路以电磁耦合的方式，与发射天线(4)和接收天线(5)实现能量的传输；波形发生器将产生的调制信号v(t)输入到射频电路(3)中的压控振荡器，压控振荡器将该调制信号调频到微波频段，将产生的调频信号通过多次倍频放大后，作为发射天线(4)的发射信号发射出去。
2.如权利要求1所述的一种线性调频连续波雷达收发前端，其特征在于：上腔体(1)和下腔体(2)为金属材料，上腔体(1)制有对称中心轴线的发射通道和接收通道，发射天线(4)和接收天线(5)分别集成在上腔体(1)的发射通道和接收通道中，直接形成发射天线(4)和接收天线(5)。
3.如权利要求1所述的一种线性调频连续波雷达收发前端，其特征在于：下腔体2圆柱体上制有下陷圆盘腔体，上腔体(1)和下腔体(2)通过焊接或者螺装方式的螺钉连接形成结合面间的圆盘腔体，射频电路(3)电路板固定安装在结合面形成的圆盘腔体的台阶面上。
4.如权利要求1所述的线性调频连续波雷达收发前端，其特征在于：压控振荡器将该调制信号调频到微波频段，输出频率为fr的调频信号，该调频信号经过倍频放大器倍频M次并放大，倍频放大后，信号被放大为带宽M×Brf、频率M×fr的调频发射信号，倍频放大后输入到功分器中，功分器将输入信号分为两路，一路调频发射信号经过倍频器N次倍频后，由发射天线(4)发射出去，另一路作为接收链路中N次谐波混频器的本振信号，本振信号的本振频率M×fr等于输入载波的频率，当射频信号进入接收通道后直接与频率相同的本振信号进行下变频，然后经过低通滤波器处理送往中频信号处理器进行处理，其中，M为≥2的整数，Brf为带宽。
5.如权利要求4所述的线性调频连续波雷达收发前端，其特征在于：接收天线(5)接收到目标回波信号后经由N次谐波混频器下变频为中频信号1，将得到的中频信号1和本振信号提供给滤波器进行滤波，经放大器放大获得的中频信号2，放大器把获得的中频信号2输出到中频信号处理器进行处理，输出接近为零的零中频信号频率。
6.如权利要求1所述的线性调频连续波雷达收发前端，其特征在于：经压控振荡器调制输出信号其中，A0为雷达的载频、f0为雷达的工作频率，kf为常数，t为时间，为初始相位。
7.如权利要求1所述的线性调频连续波雷达收发前端，其特征在于：波形发生器产生电压为v(t)，频率为Fm的调制信号，该调制信号的类型为三角波信号、锯齿波信号或正弦波信号。
8.如权利要求1所述的线性调频连续波雷达收发前端，其特征在于：功分器输出的调频发射信号经过倍频器倍频N次后，输出频率为N×M×fr，带宽为N×M×Brf的发射信号的信号。发射信号通过N次谐波混频器，与频率为M×fr的本振信号混频后，与接收天线5接收到的回波信号一起经N次谐波混频器下变频为只包含距离和速度信息的M×(fb+fd)的中频信号。
9.如权利要求1所述的线性调频连续波雷达收发前端，其特征在于：接收天线(5)接收到M×N×fr为的频率的回波信号叠加多普勒频率其中，vd为雷达与目标相对运动速度，λ为发射信号波长，θ为雷达运动方向与目标的夹角。
10.如权利要求1所述的线性调频连续波雷达收发前端，其特征在于：接收天线(5)接收到目标回波信号在空间传播产生时间延迟，达接收机时瞬时频率与发射信号的频率具有频差M×N×fb，回波信号经N次谐波混频器下变频后，信号频率变为M×(fb+fd)的中频信号1，该中频信号1只包含距离和速度信息，中频信号1分别经过滤波器滤波和放大器放大后，输出到中频信号处理器进行中频信号处理，可提取出对应的距离和速度信息，其中，M×N×fd为雷达与目标相对运动引起的多普勒频率。
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