CN111596266B - 一种低成本探测无人机c波段雷达的射频前端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本探测无人机C波段雷达的射频前端，包括：捷变频收发器、发射链路、接收链路、校正链路和收发天线；捷变频收发器的发射端与发射链路连接；捷变频收发器的接收端与接收链路连接，收发天线通过对应切换开关分别与接收链路和发射链路连接；校正链路包含依次连接的校正通道和校正馈线，校正通道与对应的捷变频收发器连接；校正馈线为设置于收发天线与对应环形器之间的一条微带线。本发明通过将捷变频收发器应用于射频前端，简化了上下变频、数模或模数转换电路的设计，增强了数字设计的灵活性，降低了硬件设计的复杂度，大大减小了设备体积。

Description

一种低成本探测无人机C波段雷达的射频前端

技术领域

本发明涉及安防雷达技术领域，具体涉及一种低成本探测无人机C波段雷达的射频前端，适用于探测无人机的民用雷达的制作。

背景技术

近年来随着无人机行业的兴起，无人机被应用到诸多领域。在无人机市场如此火爆的前提下也产生了相应的“黑飞”隐患，一是在无人机上搭载摄像头、麦克风，并对特定个体实施窃听、偷窥，黑飞无人机也可窃取知识产权、从事破坏活动等，从而实现打击竞争对手、操纵金融市场等目标。二是安全事件频频发生，如成都双流机场、北京首都机场、杭州萧山机场、重庆江北机场等都曾发现过黑飞无人机和遥控飞机入侵。为了增强低空防御，应对黑飞事件，反黑飞雷达尤其是对低成本民用雷达的需求越来越大。

目前，已有多家企业研发出了多功能反无人机系统，而利用雷达的反无人机系统往往用于军工，所以大多昂贵且体积大，无法民用化。国外有许多较为成熟的民用雷达产品但售价都在15万美元以上，而国内也有公司开发多种近距离安防雷达，但售价偏高大多数都在50万以上。如何降低民用安防雷达的成本成为该行业亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种低成本探测无人机C波段雷达的射频前端，本发明通过将捷变频收发器应用于射频前端，简化了上下变频、数模或模数转换电路的设计，增强了数字设计的灵活性，降低了硬件设计的复杂度，大大减小了设备体积。由于WIFI使用波段也在C波段内，故使用的器件均为路由器上常用器件，因而大大降低了成本。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种低成本探测无人机C波段雷达的射频前端，包括：捷变频收发器、发射链路、接收链路、校正链路和收发天线；所述捷变频收发器的发射端与所述发射链路连接；所述捷变频收发器的接收端与接收链路连接，所述收发天线通过对应切换开关分别与接收链路和发射链路连接；所述校正链路包含依次连接的校正通道和校正馈线，所述校正通道与对应的捷变频收发器连接；所述校正馈线为设置于收发天线下层的一条微带线；所述微带线横向对应设置于收发天线与切换开关之间的位置的下方；

所述收发天线为多通道相控阵天线，所述发射链路包含多个发射通道，所述接收链路包含多个接收通道，两条发射链路和接收链路对应一个捷变频收发器；校正链路对应一个捷变频收发器；

所述校正链路及与其对应的捷变频收发器用于将所有接收通道和发射通道的相位与幅度进行校正，以消除不同捷变频收发器之间的相位、幅度差异，使每个接收通道和发射通道的相位、幅度相同；

通道校正时：

对于发射通道校正：所述捷变频收发器产生C波段射频信号，该信号通过发射通道转变为发射信号后，通过校正馈线耦合发射信号并通过校正通道送至与校正通道对应的捷变频收发器，该捷变频收发器通过数据接口传输到FPGA上，提取发射信号的幅度和相位信息并进行相应的发射通道校正；

对于接收通道校正：与校正通道对应的捷变频收发器产生校正信号，该信号通过校正通道处理后，通过校正馈线耦合校正信号并通过接收通道进入捷变频收发器，捷变频收发器通过数据接口传输到FPGA上，提取校正信号的幅度和相位信息并进行相应的接收通道校正；其中，所述通道校正过程在正常通信开始之前进行。

正常通信时：

所述捷变频收发器产生C波段射频信号，该信号通过对应的发射链路进行滤波和功率放大后转变为发射信号后，由对应的收发天线发出；发射信号经过目标反射后形成电磁波反射信号，通过对应收发天线和接收链路形成接收信号后进入捷变频收发器，捷变频收发器对接收信号进行下变频采样，形成基带信号。

进一步地，所述切换开关为环形器或射频开关。

进一步地，所述捷变频收发器包含两个发射通道和两个接收通道，每个发射通道包含发射本地振荡器和依次连接的数模转换器、滤波器、小信号放大器、混频器；每个接收通道包含接收本地振荡器和依次连接的混频器、小信号放大器、滤波器、模数转换器。

进一步地，所述发射链路包括小信号放大器(GainBlock)、低通滤波器、功率放大器，所述小信号放大器用于将捷变频收发器产生的C波段射频信号进行放大处理；低通滤波器用于滤除谐波；功率放大器用于增加发射信号的功率，并与所述收发天线之间通过环形器连接。

更进一步地，所述功率放大器为两级功率放大器。

进一步地，所述接收链路包括低噪声放大器、射频开关和带通滤波器，低噪声放大器用于将收发天线接收的反射信号进行低噪放大；所述射频开关用于增加所述发射链路与接收链路之间的隔离度；所述带通滤波器用于滤除收发天线接收的反射信号中的干扰信号。

进一步地，所述校正通道包含低通滤波器和高通滤波器；所述低通滤波器用于滤除发射校准时捷变频收发器产生的C波段射频信号的谐波；所述带通滤波器用于滤除接收校准时耦合到馈线信号中的电磁波反射信号中的干扰信号。

进一步地，所述将所有接收通道和发射通道的相位与幅度进行校正，具体过程为：

(a)设相同幅度输入下通过矢量网络分析仪测定每个发射通道的幅度增益为A_i；i＝1，2，...，n，n为发射通道总数量；

(b)对于发射通道校正，所有发射通道按顺序依次发射同频率同幅度的信号，利用校正通道采集校正馈线的耦合信号，对每个发射通道耦合反馈的信号分别做傅里叶变换，得到每个发射通道的实际信号幅度和相位，记为B_i和θ_i；

(c)设校正链路中每个发射通道到校正通道的物理长度不同导致的相差为以第一个发射通道的相位为参考相位，记为θ₀，则第i个发射通道与参考相位之间的相位差为：

(d)设每个发射通道的输入信号的幅度为S，基于每个发射通道耦合度的差异性，得到校正通道收到的理论信号幅度为S×A_i；基于不同发射通道本身存在的差异性，得到每个发射通道输出的理论信号幅度为Y_i＝S×D_i；由此推出每个发射通道的实际信号幅度为：

B_i＝S×D_i×A_i

其中，D_i为第i个发射通道本身差异性带来的幅度变化量；

则，得到：

D_i＝B_i÷(S×A_i) (2)

(e)由于校正后每个发射通道的幅度和参考通道Y₀幅度相同，即Y₀＝Y_i×W_i，则：

W_i＝Y₀÷Y_i＝(S×D₀)÷(S×D_i)＝(D₀)÷(D_i) (3)

将式(2)带入式(3)中，得：

W_i＝(B₀÷(S×A₀))÷(B_i÷(S×A_i))

＝(B₀÷A₀)÷(B_i÷A_i)

其中，Δθ_i为发射通道的相位校正因子，W_i为发射通道的幅度校正因子；采用每个发射通道的相位校正因子和幅度校正因子分别对相应的发射通道的发射信号进行校正即可；

同理，得到所述接收通道的相位校正因子与幅度校正因子。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明将现有的捷变频收发器应用在雷达射频前端上，一方面节约外围电路例如本振、混频等，以降低成本和体积；另一方面，集成度高，后期仅仅需要更改软件程序即可完成脉冲雷达或者连续波雷达的变换，可以解决不同情况下需要不同参数雷达的需要。同时，通过校正链路解决了由捷变频收发器带来的不同芯片之间的本振混频相位一致性差的问题，满足相控阵雷达对各通道幅相一致性的要求。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明的射频前端的系统框图；

图2是本发明实施例的捷变频收发器的内部简要框图；

图3是本发明实施例的发射链路的简要框图；

图4是本发明实施例的接收链路的简要框图；

图5是本发明实施例的校正通道的简要框图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

参考图1，本发明提供的一种低成本探测无人机C波段雷达的射频前端，包括：捷变频收发器、发射链路、接收链路、校正链路和收发天线；所述捷变频收发器的发射端与所述发射链路连接；所述捷变频收发器的接收端与接收链路连接，所述收发天线通过对应切换开关分别与接收链路和发射链路连接；所述校正链路包含依次连接的校正通道和校正馈线，所述校正通道与对应的捷变频收发器连接；所述校正馈线为设置于收发天线下层的一条微带线；所述微带线横向对应设置于收发天线与切换开关之间的位置的下方；

所述收发天线为多通道相控阵天线，所述发射链路包含多个发射通道，所述接收链路包含多个接收通道，一条发射链路和接收链路对应一个捷变频收发器；校正链路对应一个捷变频收发器。

所述校正链路及与其对应的捷变频收发器用于将所有接收通道和发射通道的相位与幅度进行校正，以消除不同捷变频收发器之间的相位、幅度差异，使每个接收通道和发射通道的相位、幅度相同。

本实施例的发射链路和接收链路可以共用一路天线，收发之间的转换开关通过环形器切换。收发之间也可以使用射频开关进行切换，如果使用射频开关需要考虑到开关切换延迟并且无法应用于连续波雷达。

本发明针对相控阵雷达。校正链路包括微带线和校正通道，由于每个通道(发射和接收通道)对应的捷变频收发器存在差异性，导致每个通道对输入信号都会产生特定的幅度和相位改变。又由于捷变频收发器混频模块结构的特殊性，不同芯片之间的本振混频相位无法保证一致，且每次上电后锁相环鉴相的位置也不固定。而相控阵雷达对各通道幅相一致性要求较高，因此需要对各个通道进行校准。

通道校正时：

对于发射通道校正：所述捷变频收发器产生C波段射频信号，该信号通过发射通道转变为发射信号后，通过校正馈线耦合发射信号并通过校正通道送至与校正通道对应的捷变频收发器，提取发射信号的幅度和相位信息并进行相应的发射通道校正；

对于接收通道校正：与校正通道对应的捷变频收发器产生校正信号，该信号通过校正通道处理后，通过校正馈线耦合校正信号并通过接收通道进入捷变频收发器，提取校正信号的幅度和相位信息并进行相应的接收通道校正；

其中，所述通道校正过程在正常通信开始之前进行，即系统上电后立即进行。也可以根据需要在收发过程中进行通道校正。

正常通信时：

所述捷变频收发器产生C波段射频信号，该信号通过对应的发射链路进行滤波和功率放大后转变为发射信号后，由对应的收发天线发出；发射信号经过目标反射后形成电磁波反射信号，通过对应收发天线和接收链路形成接收信号后进入捷变频收发器，捷变频收发器对接收信号进行下变频采样，形成基带信号。

进一步地，参考图2，本发明实施例的捷变频收发器包含两个发射通道和两个接收通道，每个发射通道包含发射本地振荡器和依次连接的数模转换器、滤波器、小信号放大器、混频器；每个接收通道包含接收本地振荡器和依次连接的混频器、小信号放大器、滤波器、模数转换器。

基于以上可知，仅需要一个捷变频收发器芯片就可以完成两个收发链路的调制与解调，大大降低了成本，节约了空间。

发射信号时：数字基带信号通过数字接口(FPGA数字接口)传输到捷变频收发器，经过其内的DAC转换为模拟信号，再依次经过滤波器、小信号放大器后与发射本地振荡器(TXLO)产生的射频信号混频，将发射信号频率搬移到C波段。

接收信号时：捷变频收发器接收的回波信号先与接收本地振荡器(RXLO)产生的射频信号混频，输出基带信号，之后经过小信号放大器、滤波器、ADC后转换成数字信号。

进一步地，参考图3，本发明实施例的发射链路包括小信号放大器、低通滤波器、功率放大器，所述小信号放大器用于将捷变频收发器产生的C波段射频信号进行放大处理；低通滤波器用于滤除谐波；功率放大器用于增加发射信号的功率，并与所述收发天线之间通过环形器连接。

对于发射链路而言，一级功率放大器不足以达到目标功率，选用两级功率放大器。由于发射波形频率较高，很容易出现信号谐波而影响到雷达的探测结果，所以在发射链路中选择低通滤波器来滤除。

进一步地，参考图4，本发明实施例的接收链路包括低噪声放大器、射频开关和带通滤波器，低噪声放大器用于将收发天线接收的反射信号进行低噪放大；所述射频开关用于增加所述发射链路与接收链路之间的隔离度；所述带通滤波器用于滤除收发天线接收的反射信号中的干扰信号。

具体地，经过收发天线发射出的电磁波经过反射之后到达接收机的射频信号通常十分微小，为了使捷变频收发器可以顺利识别，选用小信号放大器，而由于信号太小，所以一点微小的扰动都有可能影响接收机的性能，因此一般选择低噪声放大器。由于在空间中存在的电磁干扰很多，所以接收天线接收到的回波信号包含很多其他频率的干扰信号，所以在接收链路中添加带通滤波器以滤除不感兴趣的信号。

进一步地，参考图5，本发明实施例的校正通道包含低通滤波器和高通滤波器；所述低通滤波器用于滤除发射校准时捷变频收发器产生的C波段射频信号的谐波；所述带通滤波器用于滤除接收校准时耦合到馈线信号中的电磁波反射信号中的干扰信号。

具体地，校正馈线与收发天线之间的耦合度为30dB，以在不干扰收发天线正常工作的前提下提取幅度与相位的信息。馈线连接到捷变频收发器的校正通道上用于收发校准。

进一步地，由于微带板上不同通道到校正通道的长度不同导致这种测量方式存在系统固有相位误差，而此固有误差可利用矢量网络分析仪测出，或根据天线设计中带状线的参数计算各个通道间的相对相位变化值。在天线设计中，每个天线与校正通道的耦合是30dB，但实际加工中难免会有差异，因此可以通过矢量网络分析仪来测量校正网络中各个通道的幅度差异，作为校正网络固有幅度误差补偿。

具体的将所有接收通道和发射通道的相位与幅度进行校正，具体过程为：

(a)设相同幅度输入下通过矢量网络分析仪测定每个发射通道的幅度增益为A_i；i＝1，2，...，n，n为发射通道总数量；

(b)对于发射通道校正，所有发射通道按顺序依次发射同频率同幅度的信号，利用校正通道采集校正馈线的耦合信号，对每个发射通道耦合反馈的信号分别做傅里叶变换，得到每个发射通道的实际信号幅度和相位，记为B_i和θ_i；

(c)设校正链路中每个发射通道到校正通道的物理长度不同导致的相差为以第一个发射通道的相位为参考相位，记为θ₀，则第i个发射通道与参考相位之间的相位差为：

(d)设每个发射通道的输入信号的幅度为S，基于每个发射通道耦合度的差异性，得到校正通道收到的理论信号幅度为S×A_i；基于不同发射通道本身存在的差异性，得到每个发射通道输出的理论信号幅度为Y_i＝S×D_i；由此推出每个发射通道的实际信号幅度为：

B_i＝S×D_i×A_i

其中，D_i为第i个发射通道本身差异性带来的幅度变化量；

则，得到：

D_i＝B_i÷(S×A_i) (2)

(e)由于校正后每个发射通道的幅度和参考通道Y₀幅度相同，即Y₀＝Y_i×W_i，则：

W_i＝Y₀÷Y_i＝(S×D₀)÷(S×D_i)＝(D₀)÷(D_i) (3)

将式(2)带入式(3)中，得：

W_i＝(B₀÷(S×A₀))÷(B_i÷(S×A_i))

＝(B₀÷A₀)÷(B_i÷A_i)

其中，Δθ_i为发射通道的相位校正因子，W_i为发射通道的幅度校正因子；采用每个发射通道的相位校正因子和幅度校正因子分别对相应的发射通道的发射信号进行校正即可；

同理，得到所述接收通道的相位校正因子与幅度校正因子。再采用该校正因子去校正相应接收通道即可。

本实施例中选择通道数为12。

虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种低成本探测无人机C波段雷达的射频前端，其特征在于，包括：捷变频收发器、发射链路、接收链路、校正链路和收发天线；所述捷变频收发器的发射端与所述发射链路连接；所述捷变频收发器的接收端与接收链路连接，所述收发天线通过对应切换开关分别与接收链路和发射链路连接；所述校正链路包含依次连接的校正通道和校正馈线，所述校正通道与对应的捷变频收发器连接；所述校正馈线为设置于收发天线下层的一条微带线；所述微带线横向对应设置于收发天线与切换开关之间的位置的下方；

所述收发天线为多通道相控阵天线，所述发射链路包含多个发射通道，所述接收链路包含多个接收通道，两条发射链路和接收链路对应一个捷变频收发器；校正链路对应一个捷变频收发器；

所述校正链路及与其对应的捷变频收发器用于将所有接收通道和发射通道的相位与幅度进行校正，以消除不同捷变频收发器之间的相位、幅度差异，使每个接收通道和发射通道的相位、幅度相同；

通道校正时：

对于发射通道校正：所述捷变频收发器产生C波段射频信号，该信号通过发射通道转变为发射信号后，通过校正馈线耦合发射信号并通过校正通道送至与校正通道对应的捷变频收发器，该捷变频收发器通过数据接口传输到FPGA上，提取发射信号的幅度和相位信息并进行相应的发射通道校正；

对于接收通道校正：与校正通道对应的捷变频收发器产生校正信号，该信号通过校正通道处理后，通过校正馈线耦合校正信号并通过接收通道进入捷变频收发器，捷变频收发器通过数据接口传输到FPGA上，提取校正信号的幅度和相位信息并进行相应的接收通道校正；

其中，所述通道校正过程在正常通信开始之前进行；

正常通信时：

所述捷变频收发器产生C波段射频信号，该信号通过对应的发射链路进行滤波和功率放大后转变为发射信号后，由对应的收发天线发出；发射信号经过目标反射后形成电磁波反射信号，通过对应收发天线和接收链路形成接收信号后进入捷变频收发器，捷变频收发器对接收信号进行下变频采样，形成基带信号。

2.根据权利要求1所述的低成本探测无人机C波段雷达的射频前端，其特征在于，所述切换开关为环形器或射频开关。

3.根据权利要求1所述的低成本探测无人机C波段雷达的射频前端，其特征在于，所述捷变频收发器包含两个发射通道和两个接收通道，每个发射通道包含发射本地振荡器和依次连接的数模转换器、滤波器、小信号放大器、混频器；每个接收通道包含接收本地振荡器和依次连接的混频器、小信号放大器、滤波器、模数转换器。

4.根据权利要求1所述的低成本探测无人机C波段雷达的射频前端，其特征在于，所述发射链路包括小信号放大器、低通滤波器、功率放大器，所述小信号放大器用于将捷变频收发器产生的C波段射频信号进行放大处理；低通滤波器用于滤除谐波；功率放大器用于增加发射信号的功率，并与所述收发天线之间通过环形器连接。

5.根据权利要求4所述的低成本探测无人机C波段雷达的射频前端，其特征在于，所述功率放大器为两级功率放大器。

6.根据权利要求1所述的低成本探测无人机C波段雷达的射频前端，其特征在于，所述接收链路包括低噪声放大器、射频开关和带通滤波器，低噪声放大器用于将收发天线接收的反射信号进行低噪放大；所述射频开关用于增加所述发射链路与接收链路之间的隔离度；所述带通滤波器用于滤除收发天线接收的反射信号中的干扰信号。

7.根据权利要求1所述的低成本探测无人机C波段雷达的射频前端，其特征在于，所述校正通道包含低通滤波器和高通滤波器；所述低通滤波器用于滤除发射校准时捷变频收发器产生的C波段射频信号的谐波；所述带通滤波器用于滤除接收校准时耦合到馈线信号中的电磁波反射信号中的干扰信号。

8.根据权利要求1所述的低成本探测无人机C波段雷达的射频前端，其特征在于，所述将所有接收通道和发射通道的相位与幅度进行校正，具体过程为：

(a)设相同幅度输入下通过矢量网络分析仪测定每个发射通道的幅度增益为A_i；i＝1，2，...，n，n为发射通道总数量；

(b)对于发射通道校正，所有发射通道按顺序依次发射同频率同幅度的信号，利用校正通道采集校正馈线的耦合信号，对每个发射通道耦合反馈的信号分别做傅里叶变换，得到每个发射通道的实际信号幅度和相位，记为B_i和θ_i；

(c)设校正链路中每个发射通道到校正通道的物理长度不同导致的相差为以第一个发射通道的相位为参考相位，记为θ₀，则第i个发射通道与参考相位之间的相位差为：

(d)设每个发射通道的输入信号的幅度为S，基于每个发射通道耦合度的差异性，得到校正通道收到的理论信号幅度为S×A_i；基于不同发射通道本身存在的差异性，得到每个发射通道输出的理论信号幅度为Y_i＝S×D_i；由此推出每个发射通道的实际信号幅度为：

B_i＝S×D_i×A_i

其中，D_i为第i个发射通道本身差异性带来的幅度变化量；

则，得到：

D_i＝B_i÷(S×A_i) (2)

(e)由于校正后每个发射通道的幅度和参考通道Y₀幅度相同，即Y₀＝Y_i×W_i，则：

W_i＝Y₀÷Y_i＝(S×D₀)÷(S×D_i)＝(D₀)÷(D_i) (3)

将式(2)带入式(3)中，得：

W_i＝(B₀÷(S×A₀))÷(B_i÷(S×A_i))

＝(B₀÷A₀)÷(B_i÷A_i)

其中，Δθ_i为发射通道的相位校正因子，W_i为发射通道的幅度校正因子；采用每个发射通道的相位校正因子和幅度校正因子分别对相应的发射通道的发射信号进行校正即可；

同理，得到所述接收通道的相位校正因子与幅度校正因子。