CN109521491A - 一种调制型直接检波式成像前端辐射计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种调制型直接检波式成像前端辐射计，所述微波接收天线，用于接收目标辐射或散射信号；所述波导微带转换器，用于将接收到的信号转换为平面微波电路；所述宽带高速低损耗幅度调制器；用于对接收的目标信号进行幅度调制；所述宽带高速低损耗幅度调制器的控制信号与锁相放大器的参考信号同源且存在稳定的相位差；所述宽带高增益低噪声放大器，用于放大被调制的目标信号；所述宽带功率检波器，用于检测低噪声放大器输出的信号功率；所述的锁相放大器用于解调被调制的目标信号，输出目标信号功率对应的直流电压。本发明将目标信号调制到特定的频率，通过频谱搬移减小电子学系统中不可避免的1/f噪声，提高成像前端辐射计的灵敏度。

Description

一种调制型直接检波式成像前端辐射计
技术领域
本发明涉及一种适用于被动式毫米波或太赫兹成像系统的高灵敏度探测组件，尤其涉及的是一种调制型直接检波式成像前端辐射计。
背景技术
早期的辐射计大多采用外差混频加功率检波的方式，其前端采用超外差混频电路，将频率较高的射频目标信号降低为易于处理的中频信号，对中频信号进行滤波放大，再完成检波积分输出。
全功率辐射计具有较高的理论灵敏度，但受到各种实际条件限制，特别是增益变化将对全功率辐射计的测量精度产生不利的影响，无法达到理想的灵敏度。而后迪克基于周期比较式辐射计可使增益起伏对辐射计灵敏度的影响大大减小的理论，提出了迪克辐射计，该辐射计采用迪克开关调节，抑制了平方率检波之前的增益起伏引起的不稳定性，从而提高温度测量分辨率，缺点是结构复杂，而且迪克开关和参考负载所引入的误差难以克服。此后还出现了相关式辐射计、相位开关式辐射计、噪声相加式辐射计等等，但这些辐射计基本都是以全功率辐射计和迪克型辐射计为基础的改进或者变形，在性能提升上效果不够显著。
现有技术中，辐射计一般多采用超外差式和直接检波式两种结构，中国发明专利CN201610371437公布了一种超外差式的毫米波辐射计，拥有较稳定的增益和较高的灵敏度。中国发明专利申请CN201611176307公开了一种W波段毫米波辐射计，采用了直接检波式结构，采用了两级低噪声放大器加功率检波器的微波链路结构，结构简单，体积小，功耗低。中国发明专利申请CN201720105422公开了一种星载微波辐射计，是一种用来探测大气参数的超带宽多通道微波辐射计，其本质是一种超外差接收机。
上述的各种辐射计都能够实现对某种微波或者毫米波功率的检测，但都存在不同的缺点：超外差式结构需要本振信号，功耗大，无法避免本振信号泄露造成的背向散射噪声，无法消除辐射计中存在的1/f噪声；直接检波式辐射计，信号经过检波器后，输出直流信号承载了射频信号的功率信息，无法避免低噪声放大器增益波动与检波器直流输出存在的1/f噪声对辐射计灵敏度的影响，对低噪声放大器的增益系数要求高，价格昂贵。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：针对超外差式和直接检波式辐射计的不足，着力于提高成像前端检测灵敏度，提供了一种调制型直接检波式成像前端辐射计。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括依次连接的微波接收天线、波导微带转换器、宽带高速低损耗幅度调制器、宽带高增益低噪声放大器、宽带功率检波器和锁相放大器；
所述微波接收天线，用于接收目标辐射或散射信号；
所述波导微带转换器，用于将接收到的信号转换为平面微波电路；
所述宽带高速低损耗幅度调制器，用于对接收的信号进行幅度调制，所述宽带高速低损耗幅度调制器的控制信号与锁相放大器的参考信号同源且存在稳定的相位差；
所述宽带高增益低噪声放大器，用于放大被调制的目标信号；
所述宽带功率检波器，用于检测低噪声放大器输出的信号功率；
所述锁相放大器，用于解调被调制的目标信号，输出目标信号功率对应的直流电压。
所述微波接收天线为口径天线或平面贴片天线。根据成像前端的应用系统确定微波接收天线的增益与副瓣电平等参数。
所述波导微带转换器为微带过渡器、鳍线过渡器或悬置微带线过渡器中的任一种。用于将微波接收天线接收到的目标信号转换成平面微波电路传输形式，以满足宽带高速低损耗幅度调制器传输要求，波导微带转换器可以为微波接收天线的一部分，根据微波接收天线的结构选择波导微带转换器形式。
作为本发明的优选方式之一，所述宽带高速低损耗幅度调制器为机械式射频开关或电子式射频单刀单掷开关。
所述宽带功率检波器为肖特基检波二极管或射频功率检波芯片。宽带功率检波器输出信号带宽要求大于10倍的调制频率。
所述成像前端辐射计的工作频率为毫米波段或太赫兹波段。
所述宽带高速低损耗幅度调制器对目标信号进行幅度调制，并利用锁相放大器进行解调输出，通过调制解调的方式降低成像前端的1/f噪声。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明可以根据成像前端工作频率及射频带宽选择微波接收天线、波导微带转换器、宽带高速低损耗幅度调制器、宽带高增益低噪声放大器、宽带功率检波器的工作频率。在功能上类似于全功率直接检波式辐射计，通用锁相放大器发出的控制信号控制射频开关将输入信号调制到特定的频率，再经过放大检波后解调输出，通过输出锁相放大技术避开了电子学系统常见的低频1/f噪声以及宽带高增益低噪声放大器增益波动引起的低频噪声，提高成像前端的检测灵敏度；调制频率可随意设定，使用灵活性强。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例的辐射计为W波段(75～110GHz)调制型直接检波式成像前端辐射计，包括微波接收天线1、波导微带转换器2、宽带高速低损耗幅度调制器3、宽带高增益低噪声放大器4、宽带功率检波器5和锁相放大器6。
本实施例的微波接收天线1用来接收目标辐射或散射的信号，本实施例中采用圆锥天线，馈电端口为WR10，增益为20dB，旁瓣电平为-20dB。
本实施例的微波转换器2采用波导-微带探针转换结构，波导采用WR10标准波导，探针从波导的E面中心插入，采用厚度为127um的石英为基板，输出阻抗50ohm，全带宽范围内驻波系数<1.1。
本实施例的宽带高速低损耗幅度调制器3为INP工艺PIN二极管搭建的单刀单掷开关，开关速度<10ns，全带宽范围内插入损耗<0.5dB；控制信号与锁相放大器参考信号同源，调制频率200kHz。
本实施例的宽带高增益低噪声放大器4为GaAs pHMET工艺高增益低噪声放大器，全带宽增益>40dB，噪声系数<4dB。
本实施例的宽带功率检波器5为肖特基二级管搭建的检波器，二极管截止频率～3THz，响应系数～4000mV/mW，视频输出带宽>10MHz。
本实施例的锁相放大器6对功率检波器5输出的被调制信号进行解调输出，调制频率 200kHz。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种调制型直接检波式成像前端辐射计，其特征在于，包括依次连接的微波接收天线、波导微带转换器、宽带高速低损耗幅度调制器、宽带高增益低噪声放大器、宽带功率检波器和锁相放大器；
所述微波接收天线，用于接收目标辐射或散射信号；
所述波导微带转换器，用于将接收到的信号转换为平面微波电路；
所述宽带高速低损耗幅度调制器，用于对接收的信号进行幅度调制，所述宽带高速低损耗幅度调制器的控制信号与锁相放大器的参考信号同源且存在稳定的相位差；
所述宽带高增益低噪声放大器，用于放大被调制的目标信号；
所述宽带功率检波器，用于检测低噪声放大器输出的信号功率；
所述锁相放大器，用于解调被调制的目标信号，输出目标信号功率对应的直流电压。
2.根据权利要求1所述的一种调制型直接检波式成像前端辐射计，其特征在于，所述微波接收天线为口径天线或平面贴片天线。
3.根据权利要求1所述的一种调制型直接检波式成像前端辐射计，其特征在于，所述波导微带转换器为微带过渡器、鳍线过渡器或悬置微带线过渡器中的任一种。
4.根据权利要求1所述的一种调制型直接检波式成像前端辐射计，其特征在于，所述宽带高速低损耗幅度调制器为机械式射频开关或电子式射频单刀单掷开关。
5.根据权利要求1所述的一种调制型直接检波式成像前端辐射计，其特征在于，所述宽带功率检波器为肖特基检波二极管或射频功率检波芯片，宽带功率检波器输出信号带宽大于10倍的调制频率。
6.根据权利要求1所述的一种调制型直接检波式成像前端辐射计，其特征在于，所述成像前端辐射计的工作频率为毫米波段或太赫兹波段。
7.根据权利要求1所述的一种调制型直接检波式成像前端辐射计，其特征在于，所述宽带高速低损耗幅度调制器对目标信号进行幅度调制，并利用锁相放大器进行解调输出，通过调制解调的方式降低成像前端的1/f噪声。
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