CN115207587B - 一种太赫兹雷达系统、前端及波导结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太赫兹雷达技术领域，尤其是涉及一种太赫兹雷达系统、前端及波导结构，波导结构包括上波导腔体、中间波导腔体和下波导腔体，上波导腔体和中间波导腔体之间设置有发射天线腔和第一射频通道，中间波导腔体和下波导腔体之间设置有接收天线腔和第二射频通道。本发明通过采用上波导腔体、中间波导腔体和下波导腔体共同组合构成一个波导结构，利用第一射频通道、第二射频通道分别对太赫兹雷达系统的信号发射太赫兹射频电路和信号接收太赫兹射频电路进行安装，保证了第一射频通道、第二射频通道之间的通道一致性，并有效减小太赫兹雷达系统前端体积，实现太赫兹雷达系统的小型化集成设置。

Description

一种太赫兹雷达系统、前端及波导结构

技术领域

本发明涉及太赫兹雷达技术领域，尤其是涉及一种太赫兹雷达系统、前端及波导结构。

背景技术

目前，国际上已对太赫兹固态雷达系统已进行初步研究，但成像分辨率和帧率不能同时满足应用需求，且在复杂环境下，对无人机群、微动手势等新型复杂目标仍无法清晰快速成像或识别，这主要是由于太赫兹固态雷达系统仍然主要采用单发单收或非集成式的多发多收。单发单收会导致射频通道数量不足，无法对微多普勒信息进行有效的采集，而非集成式的多发多收会造成连接损耗，通道间一致性不好控制，造成对小目标识别的不准确。

此外，在将太赫兹雷达系统前端与矩形波导结构结合时，由于太赫兹电路尺寸小，而矩形波导结构又需要在纯金属上进行微机械铣削加工，加工灵活性差，因此，基于加工效率和加工成本的考量，现有技术一般采用一个波导结构来匹配安装太赫兹雷达系统前端中的部分电路单元，再通过多个波导结构组合来构成完整的太赫兹雷达系统前端电路，然而该方式由于存多个波导结构，体积大，不能满足太赫兹雷达系统前端的小型化要求。

发明内容

本申请的目的是提供一种太赫兹雷达系统、前端及波导结构，来解决现有技术中存在的上述技术问题，主要包括以下三个方面：

本申请第一方面提供了一种太赫兹雷达系统前端波导结构，包括上波导腔体、中间波导腔体和下波导腔体，上波导腔体和中间波导腔体之间设置有至少一个发射天线腔、以及与发射天线腔对应设置的第一射频通道，所述第一射频通道用于安装太赫兹雷达系统发射前端的太赫兹射频电路，第一射频通道与发射天线腔连通，所述中间波导腔体和下波导腔体之间设置有至少一个接收天线腔、以及与接收天线腔对应设置的第二射频通道，第二射频通道与接收天线腔连通，第二射频通道用于安装太赫兹雷达系统接收前端的太赫兹射频电路。

进一步地，所述第一射频通道、第二射频通道分别为矩形波导结构，和/或，所述发射天线腔、接收天线腔分别为标准波导喇叭天线。

进一步地，所述发射天线腔的口面的长、发射天线腔的口面的宽、第一射频通道的宽边长度和第一射频通道的窄边长度的比值为10:10:1.092:0.546，接收天线腔的口面的长、接收天线腔的口面的宽、第二射频通道的宽边长度和第二射频通道的窄边长度的比值为10:10:1.092:0.546。

进一步地，发射天线腔的深度和第一射频通道的深度比、以及接收天线腔的深度和第二射频通道的深度比均为25:20。

进一步地，所述发射天线腔至少部分设置在上波导腔体上，所述接收天线腔至少部分设置在下波导腔体上。

进一步地，在设置有多个第一射频通道时，第一射频通道之间相互平行设置，和/或，在设置有多个第二射频通道时，第二射频通道之间相互平行设置。

进一步地，相邻发射天线腔的口面之间间距为0.2mm，和/或，相邻接收天线腔的口面之间间距为0.2mm。

进一步地，在上波导腔体和下波导腔体之间设置有至少两个中间波导腔体时，中间波导腔体沿纵向依次设置；

相邻两个中间波导腔体之间设置有至少一个发射天线腔、以及与发射天线腔对应设置的第一射频通道，

和/或，相邻两个中间波导腔体之间设置有至少一个接收天线腔、以及与接收天线腔对应设置的第二射频通道。

本申请第二方面提供了一种太赫兹雷达系统前端，包括本振驱动信号、倍频放大器、多路功分器、至少一个信号发射太赫兹射频电路、至少一个信号接收太赫兹射频电路、以及上述的太赫兹雷达系统前端波导结构，本振驱动信号、倍频放大器、多路功分器沿信号传输方向依次连接，信号发射太赫兹射频电路的信号输入端、信号接收太赫兹射频电路的信号输入端分别与多路功分器的信号输出端连接，信号发射太赫兹射频电路设置在第一射频通道内，信号接收太赫兹射频电路设置在第二射频通道内。

本申请第三方面提供了一种太赫兹雷达系统，其特征在于，包括上述的太赫兹雷达系统前端波导结构，或上述的太赫兹雷达系统前端。

本发明相对于现有技术至少具有如下技术效果：

本发明通过采用上波导腔体、中间波导腔体和下波导腔体共同组合构成一个波导结构，利用第一射频通道、第二射频通道分别对太赫兹雷达系统的信号发射太赫兹射频电路和信号接收太赫兹射频电路进行安装，不仅将太赫兹雷达系统的发射前端和接收前端集成设置到一个波导结构内，而且还保证了第一射频通道、第二射频通道之间的通道一致性，以及射频通道之间的高度隔离，并有效减小太赫兹雷达系统前端体积，实现太赫兹雷达系统的小型化集成设置，有利于太赫兹通信系统进行更广泛、灵活的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例1中太赫兹雷达系统前端波导结构的结构示意图；

图2是实施例1中太赫兹雷达系统前端波导结构的爆炸结构示意图；

图3是图1中上波导腔体的结构示意图；

图4是图1中中间波导腔体的结构示意图；

图5是图1中下波导腔体的结构示意图；

图6是太赫兹雷达系统前端波导结构的另一种结构示意图；

图7是实施例2中太赫兹雷达系统前端的电路连接示意图；

图中，

10、上波导腔体；110、第一射频通道；120、发射天线腔；20、中间波导腔体；30、下波导腔体；310、第二射频通道；320、接收天线腔；410、本振驱动信号；420、倍频放大器；430、多路功分器；440、第一本振驱动倍频器；450、340GHz倍频器；460、第二本振驱动倍频器；470、340GHz分谐波混频器。

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1：

本申请实施例提供了一种太赫兹雷达系统前端波导结构，如图1和图2所示，包括上波导腔体10、中间波导腔体20和下波导腔体30，上波导腔体10和中间波导腔体20之间设置有至少一个发射天线腔120、以及与发射天线腔120对应设置的第一射频通道110，所述第一射频通道110用于安装太赫兹雷达系统发射前端的太赫兹射频电路，第一射频通道110与发射天线腔120连通，所述中间波导腔体20和下波导腔体30之间设置有至少一个接收天线腔320、以及与接收天线腔320对应设置的第二射频通道310，第二射频通道310与接收天线腔320连通，第二射频通道310用于安装太赫兹雷达系统接收前端的太赫兹射频电路。

波导法兰为国际标准尺寸，单个波导法兰尺寸约为2厘米，太赫兹电路体积为微米级，但现有太赫兹通信系统中采用在一个波导腔体内只设置一个太赫兹电路，在多个太赫兹电路集成为太赫兹雷达系统时，实际是将多个波导结构进行集成，致使单个波导结构内部空间利用率低，集成设置的太赫兹雷达系统前端体积大，而在波导结构进行连接时还会造成连接损耗，通道间一致性也不便于控制；而本实施例通过采用上波导腔体10、中间波导腔体20和下波导腔体30共同组合构成一个波导结构，并在上波导腔体10和中间波导腔体20之间设置发射天线腔120和第一射频通道110，在中间波导腔体20和下波导腔体30之间设置接收天线腔320和第二射频通道310，利用第一射频通道110、第二射频通道310分别对太赫兹雷达系统的信号发射太赫兹射频电路和信号接收太赫兹射频电路进行安装，不仅将太赫兹雷达系统的发射前端和接收前端集成设置到一个波导结构内，而且还保证了第一射频通道110、第二射频通道310之间的通道一致性，以及射频通道之间的高度隔离；另外，由于仅使用一个波导结构就能够将太赫兹雷达系统的发射前端和接收前端进行集成设置，有效避免多个波导结构连接时的连接损耗，减小太赫兹雷达系统前端体积，实现太赫兹雷达系统的小型化集成设置，有利于太赫兹通信系统进行更广泛、灵活的应用。

具体地，所述第一射频通道110、第二射频通道310分别为矩形波导结构。

具体地，所述发射天线腔120、接收天线腔320分别为标准波导喇叭天线。

具体地，所述发射天线腔120的口面的长、发射天线腔120的口面的宽、第一射频通道110的宽边长度和第一射频通道110的窄边长度的比值为10:10:1.092:0.546，接收天线腔320的口面的长、接收天线腔320的口面的宽、第二射频通道310的宽边长度和第二射频通道310的窄边长度的比值为10:10:1.092:0.546。通过合理设置天线的结构尺寸，使得太赫兹雷达系统前端能够实现良好的扫描角度性能

具体地，发射天线腔120的深度和第一射频通道110的深度比、以及接收天线腔320的深度和第二射频通道310的深度比均为25:20。

具体地，如图2~图5所示，所述发射天线腔120至少部分设置在上波导腔体10上，所述接收天线腔320至少部分设置在下波导腔体30上。优选地，所述发射天线腔120的一半设置在上波导腔体10上，发射天线腔120的另一半设置在中间波导腔体20上；所述接收天线腔320的一半设置在下波导腔体30上，接收天线腔320的另一半设置在中间波导腔体20上。

在一些实施例中，对于发射天线腔120，可以选择上波导腔体10的下表面、中间波导腔体20上表面中的一者上设置较少部分发射天线腔120，上波导腔体10的下表面、中间波导腔体20上表面中的另一者上设置较多部分发射天线腔120；对于接收天线腔320，可以选择下波导腔体30的上表面、中间波导腔体20的下表面中的一者上设置较少部分接收天线腔320，下波导腔体30的上表面、中间波导腔体20的下表面中的另一者上设置较多部分接收天线腔320。

具体地，在设置有多个第一射频通道110时，第一射频通道110之间相互平行设置。

具体地，在设置有多个第二射频通道310时，第二射频通道310之间相互平行设置。

具体地，多个第一射频通道110、多个第二射频通道310分别呈阵列设置。

在一些实施例中，在多个第一射频通道110可以采用一维布阵，即呈一列设置或一行设置，多个第一射频通道110也可以采用二维布阵，示例行的，6个第一射频通道110，分成3行，每行2个第一射频通道110，或是，9个第一射频通道110，分成3行，第一行1个第一射频通道110，第二行3个第一射频通道110，第三行5个第一射频通道110；同理，多个第二射频通道310也可以采用一维或二维布阵。

具体地，在上波导腔体10和下波导腔体30之间设置有至少两个中间波导腔体20时，中间波导腔体20沿纵向依次设置；相邻两个中间波导腔体20之间设置有至少一个发射天线腔120、以及与发射天线腔120对应设置的第一射频通道110，以适配多个呈二维布阵的第一射频通道110。

在一些实施例中，相邻两个中间波导腔体20之间设置有至少一个接收天线腔320、以及与接收天线腔320对应设置的第二射频通道310，以适配多个呈二维布阵的第二射频通道310；示例性的，如图6所示，在上波导腔体10和中间波导腔体20设置四个发射天线腔120、以及与发射天线腔120对应设置的第一射频通道110，在两个中间波导腔体20之间设置四个接收天线腔320、以及与接收天线腔320对应设置的第二射频通道310，在中间波导腔体20和下波导腔体30之间设置四个接收天线腔320、以及与接收天线腔320对应设置的第二射频通道310，构成4发8收太赫兹雷达系统前端集成结构。

在一些实施例中，相邻两个中间波导腔体20之间设置有至少一个发射天线腔120、以及与发射天线腔120对应设置的第一射频通道110，还设置有至少一个接收天线腔320、以及与接收天线腔320对应设置的第二射频通道310，以适配多个呈二维布阵的第一射频通道110和多个呈二维布阵第二射频通道310。

具体地，相邻发射天线腔120的口面之间间距为0.2mm。

具体地，相邻接收天线腔320的口面之间间距为0.2mm。

具体地，发射天线腔120的口面与相邻接收天线腔320的口面之间间距为0.2mm。

实施例2

本申请实施例提供了一种太赫兹雷达系统前端，如图7所示，包括本振驱动信号410、倍频放大器420、多路功分器430、至少一个信号发射太赫兹射频电路、至少一个信号接收太赫兹射频电路、以及实施例1中的太赫兹雷达系统前端波导结构，本振驱动信号410、倍频放大器420、多路功分器430沿信号传输方向依次连接，信号发射太赫兹射频电路的信号输入端、信号接收太赫兹射频电路的信号输入端分别与多路功分器430的信号输出端连接，信号发射太赫兹射频电路设置在第一射频通道110内，信号接收太赫兹射频电路设置在第二射频通道310内。

利用本振驱动信号410产生驱动信号，通过倍频放大器420将信号放大至本振驱动频率，然后经过多路功分器430分成与太赫兹射频电路数量相适配的多路，分别为信号发射太赫兹射频电路、信号接收太赫兹射频电路提供驱动信号，对于信号发射太赫兹射频电路，信号在信号发射太赫兹射频电路中经过倍频、功率合成后，输送至发射天线（发射天线腔120作为发射天线）进行信号传输，产生发射信号；对于信号接收太赫兹射频电路，信号在信号接收太赫兹射频电路经过倍频、混频，同时发射信号遇到待测目标后发射回来，并被四个接收天线（接收天线腔320作为接收天线）接收，并在信号接收太赫兹射频电路中进行下变频，从而实现相参，增加系统的参数分辨能力和参数估计精度；此外，通过将信号发射太赫兹射频电路、信号接收太赫兹射频电路、发射天线、接收天线均集成在一个波导结构内，保证了第一射频通道110、第二射频通道310之间的通道一致性，以及信号发射太赫兹射频电路、信号接收太赫兹射频电路之间的高度隔离，且有效减小太赫兹雷达系统前端体积，实现太赫兹雷达系统的小型化集成设置，有利于太赫兹通信系统进行更广泛、灵活的应用；同时多发多发类型系统空间谱自由度更高，可利用空时自适应等技术，提高分辨率。

具体地，所述信号发射太赫兹射频电路包括第一本振驱动倍频器440和340GHz倍频器450。所述第一本振驱动倍频器440为170GHz本振驱动倍频器

具体地，所述信号接收太赫兹射频电路包括第二本振驱动倍频器460和340GHz分谐波混频器470。所述第二本振驱动倍频器460为170GHz本振驱动倍频器。

具体地，所述太赫兹雷达系统前端还包括中频信号，中频信号分别与340GHz分谐波混频器470连接。优选地，所述中频信号为频率可调的中频信号。

具体地，所述太赫兹雷达系统前端包括两个信号发射太赫兹射频电路和四个信号接收太赫兹射频电路，所述多路功分器430为六路功分器。在两发四收的太赫兹雷达系统中，发射天线和接收天线在空间上紧凑排列，回波信号相对于收发天线来说是相参的，与传统雷达相比，由于波形分集产生的虚拟孔径，相当于扩展了雷达天线空间，因此可以提高目标的参数分辨能力和参数估计精度；另外，由于采用了四个接收天线对目标进行检测，目标的散射截面积相对于每个天线是有差异的，因此可以优选抑制目标信号闪烁，提高检测能力；同时，两发四收雷达在不同方向上发射的波形是相互正交，因此目标对象对其进行跟踪定位和反干扰相对比较困难，所以抗干扰能力更强，具有低截获能力。

具体地，所述本振驱动信号410为调频连续波源。

实施例3

本申请实施例提供了一种太赫兹雷达系统，包括实施例2中的太赫兹雷达系统前端波导结构，或实施例3中的太赫兹雷达系统前端。

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 (10)

1.一种太赫兹雷达系统前端波导结构，其特征在于，包括上波导腔体、中间波导腔体和下波导腔体，上波导腔体和中间波导腔体之间设置有至少一个发射天线腔、以及与发射天线腔对应设置的第一射频通道，所述第一射频通道用于安装太赫兹雷达系统发射前端的太赫兹射频电路，第一射频通道与发射天线腔连通，所述中间波导腔体和下波导腔体之间设置有至少一个接收天线腔、以及与接收天线腔对应设置的第二射频通道，第二射频通道与接收天线腔连通，第二射频通道用于安装太赫兹雷达系统接收前端的太赫兹射频电路；所述第一射频通道的一半设置在上波导腔体上，第一射频通道的另一半设置在中间波导腔体上；所述第二射频通道的一半设置在下波导腔体上，第二射频通道的另一半设置在中间波导腔体上。

2.如权利要求1所述的太赫兹雷达系统前端波导结构，其特征在于，所述第一射频通道、第二射频通道分别为矩形波导结构，和/或，所述发射天线腔、接收天线腔分别为标准波导喇叭天线。

3.如权利要求2所述的太赫兹雷达系统前端波导结构，其特征在于，所述发射天线腔口面的长、发射天线腔口面的宽、第一射频通道宽边长度和第一射频通道窄边长度的比值为10:10:1.092:0.546，接收天线腔口面的长、接收天线腔口面的宽、第二射频通道宽边长度和第二射频通道窄边长度的比值为10:10:1.092:0.546。

4.如权利要求2所述的太赫兹雷达系统前端波导结构，其特征在于，发射天线腔的深度和第一射频通道的深度比、以及接收天线腔的深度和第二射频通道的深度比均为25:20。

5.如权利要求1~4任意一项所述的太赫兹雷达系统前端波导结构，其特征在于，所述发射天线腔至少部分设置在上波导腔体上，所述接收天线腔至少部分设置在下波导腔体上。

6.如权利要求5所述的太赫兹雷达系统前端波导结构，其特征在于，在设置有多个第一射频通道时，第一射频通道之间相互平行设置，和/或，在设置有多个第二射频通道时，第二射频通道之间相互平行设置。

7.如权利要求6所述的太赫兹雷达系统前端波导结构，其特征在于，相邻发射天线腔的口面之间间距为0.2mm，和/或，相邻接收天线腔的口面之间间距为0.2mm。

8.如权利要求5所述的太赫兹雷达系统前端波导结构，其特征在于，在上波导腔体和下波导腔体之间设置有至少两个中间波导腔体时，中间波导腔体沿纵向依次设置；

相邻两个中间波导腔体之间设置有至少一个发射天线腔、以及与发射天线腔对应设置的第一射频通道，

和/或，相邻两个中间波导腔体之间设置有至少一个接收天线腔、以及与接收天线腔对应设置的第二射频通道。

9.一种太赫兹雷达系统前端，其特征在于，包括本振驱动信号、倍频放大器、多路功分器、至少一个信号发射太赫兹射频电路、至少一个信号接收太赫兹射频电路、以及权利要求1~8任意一项所述的太赫兹雷达系统前端波导结构，本振驱动信号、倍频放大器、多路功分器沿信号传输方向依次连接，信号发射太赫兹射频电路的信号输入端、信号接收太赫兹射频电路的信号输入端分别与多路功分器的信号输出端连接，信号发射太赫兹射频电路设置在第一射频通道内，信号接收太赫兹射频电路设置在第二射频通道内。

10.一种太赫兹雷达系统，其特征在于，包括权利要求1~8任意一项所述的太赫兹雷达系统前端波导结构，或权利要求9所述的太赫兹雷达系统前端。

Images