CN109916241A - 一种单片集成毫米波引信探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单片集成毫米波引信探测器，包括天馈系统，用于发射信号和接收目标反射的回波信号；单片集成毫米波前端，用于将信号传输至天馈系统，并对回波信号进行变频后传输至信号处理模块；信号处理模块，用于对单片集成毫米波前端输出的中频信号进行信号处理以判定是否存在目标，并根据判定结果输出；电源模块，用于为有源器件供电。本发明采用天线与有源器件异面的结构，降低有源网络对天线的影响，减少馈线损耗及干扰，有效抑制了副瓣；且将单片集成毫米波前端和信号处理模块集成，减小了体积，降低了探测器的功耗和成本，具有定位精度高、抗干扰能力强、测距盲区小等优点，能满足近距离毫米波引信探测器对目标定位精度要求高的需求。

Description

一种单片集成毫米波引信探测器

技术领域

本发明属于引信领域和毫米波领域，特别是一种单片集成毫米波引信探测器。

背景技术

引信是利用目标信息和环境信息，在预设条件下引爆或引燃战斗部装药的控制装置。先进导弹的引信要求引信探测器必须小型化，同时满足重量和抗高过载的要求，要求天线口径小增益高，能有效地满足探测器对作用距离的要求，具有目标识别能力强，成本低的特点。

毫米波是波长介于1～10mm之间的电磁波谱，对应频率范围为3～30GHz。近年来，毫米波技术在引信探测领域被广泛应用，如果能复合近炸引信功能，将有效提高目标命中精度，其主要优点如下：1)抗干扰能力强。毫米波频段在空间远距离传输中衰减较大，使其很难被远距离截获和干扰，目前也很难产生高电平、宽带干扰功率并使其定向，所以尚没有有效的有源干扰形式；2)天线波束宽度窄。窄的天线波束具有许多重要的优点：天线增益高；降低引信对干扰的灵敏度；减少了多径效应和地杂波影响；与微波频段相比，具有更高的距离和角度分辨率；3)对于目前已知的隐身方式，在微波频段有着良好的隐身效果，而在毫米波频段，无论是涂料隐身还是结构隐身，都达不到想要的效果；4)在各种天气状况和复杂的战场环境条件下，毫米波性能更佳。与激光和红外相比，毫米波在穿透云雾、战场烟雾、尘埃等方面具有明显的优势，能很好地适应各种战场环境；5)与微波相比，毫米波探测器具有更小的体积，符合弹载武器对引信小型化的要求。

目前，大多数引信探测器为了保证满足小体积的要求，采用天线收发共用结构，这势必会降低天线收发隔离度，增大电路的插入损耗；探测器的射频模块大多采用分立器件设计而成，导致系统调试困难，产品体积大，功耗高。这些因素都限制了毫米波引信探测器的发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种高集成、小体积、抗干扰能力强、成本低、目标定位精度高、稳定可靠的单片集成毫米波引信探测器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种单片集成毫米波引信探测器，包括天馈系统、单片集成毫米波前端、信号处理模块和电源模块，所述单片集成毫米波前端分别与天馈系统、信号处理模块相连，电源模块分别与单片集成毫米波前端、信号处理模块相连；

所述天馈系统，用于发射信号和接收目标反射的回波信号；

所述单片集成毫米波前端，用于将探测器所需的连续波信号调制后传输至天馈系统，并对回波信号进行变频后传输至信号处理模块；

所述信号处理模块，用于对单片集成毫米波前端输出的中频信号进行信号处理以判定是否存在目标，并根据判定结果进行输出；

所述电源模块，用于为单片集成毫米波前端和信号处理模块中的有源器件供电。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1)本发明探测器中采用收发天线分离的形式，有效地减少了天线之间的耦合，提高了天线的隔离度；2)本发明探测器中采用天线与有源器件异面的结构，能降低有源网络对天线的影响，减少馈线的损耗及干扰，有效地抑制了副瓣，且减小了探测器的体积；3)本发明单片集成毫米波前端采用高次倍频器和高增益放大器，接收信道采用自差拍变频方式，在保证探测器功能的前提下，有效的减小了探测器的体积和重量，降低成本；4)本发明将单片集成毫米波前端和信号处理模块集成于同一个芯片上，降低了探测器的功耗和成本，减小了整体体积；5)本发明探测器发射的调频连续波信号具有定位精度高、抗干扰能力强、测距盲区小等优点，能满足近距离毫米波引信探测器对目标定位精度要求高的需求。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明单片集成毫米波引信探测器的结构示意图。

图2为本发明探测器中天线与高集成毫米波芯片布局分布图。其中，图(a)为三维立体图，图(b)为俯视图，图(c)为仰视图；其中1表示发射天线和接收天线，2表示高集成毫米波芯片。

图3为本发明实施例中探测器测试结果输出图。

具体实施方式

结合图1，本发明一种单片集成毫米波引信探测器，包括天馈系统、单片集成毫米波前端、信号处理模块和电源模块，所述单片集成毫米波前端分别与天馈系统、信号处理模块相连，电源模块分别与单片集成毫米波前端、信号处理模块相连；

天馈系统，用于发射信号和接收目标反射的回波信号；

单片集成毫米波前端，用于将探测器所需的连续波信号调制后传输至天馈系统，并对回波信号进行变频后传输至信号处理模块；

信号处理模块，用于对单片集成毫米波前端输出的中频信号进行信号处理以判定是否存在目标，并根据判定结果进行输出；

电源模块，用于为单片集成毫米波前端和信号处理模块中的有源器件供电。

进一步地，天馈系统包括天线和馈电网络。

优选地，天线采用收发分离的形式，其包括接收天线、发射天线，接收天线和发射天线通过馈电网络分别与单片集成毫米波前端的信号输入端和输出端相连。

优选地，结合图2，天线与单片集成毫米波前端和信号处理模块中的有源器件异面，具体通过基片集成波导技术实现。

优选地，基片集成波导的结构的通孔直径为0.4mm，相邻通孔间的间距为0.6mm。

优选地，结合图2，发射天线和接收天线为微带梳状阵列天线，该微带梳状阵列天线包括3根相互平行且等间距的天线，每根天线包括5个天线阵元，5个阵元与馈线的夹角为45°，并与馈线连接成梳状；其中，3根天线之间的相位匹配和功率分配比根据实际需求通过调节通孔的位置实现。

进一步地，单片集成毫米波前端包括本振模块、接收信道和发射信道；

本振模块，用于产生探测器所需的调频连续波信号，并将该信号的一部分作为探测信号传输至发射信道，另一部分作为本振信号传输至接收信道；

接收信道，用于将本振信号、天馈系统接收到的回波信号进行混频获得差频信号，并对差频信号进行滤波、放大处理后传送至信号处理模块；

发射信道，将所述探测信号进行相位调制、功率放大处理后传输至天馈系统的发射天线，由发射天线辐射出去。

进一步地，单片集成毫米波前端与信号处理模块集成于同一单片集成毫米波芯片上。

优选地，本振模块包括高次倍频器和高增益放大器。

优选地，本振模块产生探测器所需的调频连续波信号，具体为：

本振模块通过DRVCO技术产生振荡信号，之后在单片集成毫米波芯片内部对振荡信号进行锁相、倍频处理进而产生探测器所需的调频连续波信号。

优选地，接收信道具体通过自差拍变频方式，将本振信号、天馈系统接收到的回波信号进行混频获得差频信号。

优选地，单片集成毫米波芯片采用Calterah Alps。

进一步地，信号处理模块，用于对单片集成毫米波前端输出的中频信号进行信号处理以判定是否存在目标，并根据判定结果进行输出，具体为：

信号处理模块，对单片集成毫米波前端输出的中频信号依次进行中频高速采样、FFT处理，之后将处理后的信号与恒虚警处理中设置的阈值进行比较，若处理后的信号大于阈值，则判定为目标，并将目标的信息传输至后续的引信起爆控制部分，反之输出低电平。

进一步优选地，该探测器采用基于MMIC技术的平面集成形式。

实施例

结合图1，本发明实施例中提供一种77GHz单片集成毫米波引信探测器，该探测器采用基于MMIC技术的平面集成形式，包括天馈系统、单片集成毫米波前端、信号处理模块和电源模块，其中单片集成毫米波前端与信号处理模块集成于同一单片集成毫米波芯片Calterah Alps上。单片集成毫米波前端分别与天馈系统、信号处理模块相连。电源模块分别与单片集成毫米波前端、信号处理模块相连，为单片集成毫米波前端和信号处理模块中的有源器件供电。

天馈系统用于发射信号和接收目标反射的回波信号，包括天线和馈电网络，其中天线采用收发分离的形式，其包括接收天线、发射天线，接收天线和发射天线通过馈电网络分别与单片集成毫米波前端的信号输入端和输出端相连。

发射天线和接收天线属于微带梳状阵列天线，该阵列天线包括3根相互平行且等间距的天线，每根天线包括5个天线阵元，5个阵元与馈线的夹角为45°，并与馈线连接成梳状。发射天线和接收天线采用基片集成波导(SIW)技术来实现天线与有源器件的异面结构，在本实施例中，实现SIW结构的通孔直径为0.4mm，相邻通孔间间距为0.6mm。通过调节调谐孔的位置，实现三根天线的相位匹配和从左往右的1：1.6：1的功率分配比。

单片集成毫米波前端，包括本振模块、接收信道和发射信道，用于将探测器所需的77GHz连续波信号调制后传输至天馈系统，并对回波信号进行变频后传输至信号处理模块。其中，

本振模块，包括高次倍频器和高增益放大器，通过DRVCO技术产生50MHz振荡信号，之后在单片集成毫米波芯片内部对振荡信号进行锁相、倍频至77GHz的调频连续波信号，并将该信号的一部分作为探测信号传输至发射信道，另一部分作为本振信号传输至接收信道；

接收信道，通过自差拍变频方式将本振信号、天馈系统接收到的且经过低噪放的回波信号进行混频获得差频信号，并对差频信号进行滤波、放大处理后传送至信号处理模块；

发射信道，将所述探测信号进行相位调制、功率放大处理后传输至天馈系统的发射天线，由发射天线辐射出去。

信号处理模块，对单片集成毫米波前端输出的中频信号依次进行中频高速采样、FFT处理，之后将处理后的信号与恒虚警处理中设置的阈值进行比较，若处理后的信号大于阈值，则判定为目标，并将目标的信息传输至后续的引信起爆控制部分，反之输出低电平。本实施例中，信号处理模块以20MHz的采样频率对中频模拟信号进行采样，然后对采样后的数字信号在距离维进行快速傅里叶变换，将其与CFAR处理设置的动态阈值进行比较，若信号大于设定阈值，则判定为有目标，输出目标的距离信息至后续的引信起爆控制部分。

结合图3，对本实施例中的探测器进行测试，结果表明在探测器与目标不断靠近的过程中，当两者的距离约为36m时，信号输出大于阈值，表明探测到目标，将该目标的信息传输至后续的引信起爆控制部分。

本发明探测器采用天线与有源器件异面的结构，降低了有源网络对天线的影响，减少了馈线的损耗及干扰，有效地抑制了副瓣；此外通过集成探测器中单片集成毫米波前端和信号处理模块，减小了整体体积，降低了探测器的功耗和成本。本发明探测器发射的调频连续波信号具有定位精度高、抗干扰能力强、测距盲区小等优点，能满足近距离毫米波引信探测器对目标定位精度要求高的需求。

Claims (10)

1.一种单片集成毫米波引信探测器，其特征在于，包括天馈系统、单片集成毫米波前端、信号处理模块和电源模块，所述单片集成毫米波前端分别与天馈系统、信号处理模块相连，电源模块分别与单片集成毫米波前端、信号处理模块相连；

所述天馈系统，用于发射信号和接收目标反射的回波信号；

所述单片集成毫米波前端，用于将探测器所需的连续波信号调制后传输至天馈系统，并对回波信号进行变频后传输至信号处理模块；

所述信号处理模块，用于对单片集成毫米波前端输出的中频信号进行信号处理以判定是否存在目标，并根据判定结果进行输出；

所述电源模块，用于为单片集成毫米波前端和信号处理模块中的有源器件供电。

2.根据权利要求1所述的单片集成毫米波引信探测器，其特征在于，所述天馈系统包括天线和馈电网络，其中天线采用收发分离的形式，其包括接收天线、发射天线，接收天线和发射天线通过馈电网络分别与单片集成毫米波前端的信号输入端和输出端相连。

3.根据权利要求2所述的单片集成毫米波引信探测器，其特征在于，所述天线与单片集成毫米波前端和信号处理模块中的有源器件异面，具体通过基片集成波导技术实现。

4.根据权利要求3所述的单片集成毫米波引信探测器，其特征在于，所述基片集成波导的结构的通孔直径为0.4mm，相邻通孔间的间距为0.6mm。

5.根据权利要求4所述的单片集成毫米波引信探测器，其特征在于，所述发射天线和接收天线为微带梳状阵列天线，该微带梳状阵列天线包括3根相互平行且等间距的天线，每根天线包括5个天线阵元，5个阵元与馈线的夹角为45°，并与馈线连接成梳状；其中，3根天线之间的相位匹配和功率分配比根据实际需求通过调节通孔的位置实现。

6.根据权利要求1所述的单片集成毫米波引信探测器，其特征在于，所述单片集成毫米波前端包括本振模块、接收信道和发射信道；

本振模块，用于产生探测器所需的调频连续波信号，并将该信号的一部分作为探测信号传输至发射信道，另一部分作为本振信号传输至接收信道；

接收信道，用于将本振信号、天馈系统接收到的回波信号进行混频获得差频信号，并对差频信号进行滤波、放大处理后传送至信号处理模块；

发射信道，将所述探测信号进行相位调制、功率放大处理后传输至天馈系统的发射天线，由发射天线辐射出去。

7.根据权利要求6所述的单片集成毫米波引信探测器，其特征在于，所述单片集成毫米波前端与信号处理模块集成于同一单片集成毫米波芯片上。

8.根据权利要求7所述的单片集成毫米波引信探测器，其特征在于，

所述本振模块包括高次倍频器和高增益放大器，通过DRVCO技术产生振荡信号，之后在单片集成毫米波芯片内部对振荡信号进行锁相、倍频处理进而产生探测器所需的调频连续波信号；

所述接收信道具体通过自差拍变频方式，将本振信号、天馈系统接收到的回波信号进行混频获得差频信号；

所述单片集成毫米波芯片采用Calterah Alps。

9.根据权利要求1所述的单片集成毫米波引信探测器，其特征在于，所述信号处理模块，用于对单片集成毫米波前端输出的中频信号进行信号处理以判定是否存在目标，并根据判定结果进行输出，具体为：

信号处理模块，对单片集成毫米波前端输出的中频信号依次进行中频高速采样、FFT处理，之后将处理后的信号与恒虚警处理中设置的阈值进行比较，若处理后的信号大于阈值，则判定为目标，并将目标的信息传输至后续的引信起爆控制部分，反之输出低电平。

10.根据权利要求1所述的单片集成毫米波引信探测器，其特征在于，该探测器采用基于MMIC技术的平面集成形式。