CN1261771C - 单个天线时分控制方式fm－cw雷达 - Google Patents

Abstract

在单个天线时分控制方式FM-CW雷达中，在发射系统和接收系统中分别设置放大器，与发射和接收定时相吻合地使设置在发送系统中的放大器和设置在接收系统中的放大器交替地动作，进行发射接收的切换。放大器的动作采用对增益进行控制的办法进行。归因于作成为这样的构成，使得可以改善发射接收间的隔离，使发射功率不会通过发送接收切换部分漏泄到接收系统中去。

Description

单个天线时分控制方式FM-CW雷达

技术领域

本发明涉及单个天线时分控制方式FM-CW雷达的发射接收切换，特别是涉及确实地进行发射系统和接收系统的隔离的手段。

背景技术

作为测量与目标物体之间的相对速度和距离的雷达方式，可以使用FM-CW雷达。该方式的雷达，可以用简单的信号处理电路测量与前方车辆之间的相对速度和距离，此外，还可以简单地构成发射接收机，故可以用做汽车的防撞雷达。

FM-CW雷达的原理如下。例如，用几百Hz的三角波等对振荡器进行FM调制后发射FM调制波，接收来自目标物体的反射信号，把FM调制波当作本地信号对接收信号进行FM检波。来自目标物体的反射波，与雷达和目标物体的距离相对应地，此外，还与由相对速度产生的多普勒频移相对应地产生与发射信号之间的偏离(差拍)。因此，就可以根据该频率的偏离来测量与目标物体之间的距离和相对速度。

在FM-CW雷达装置中，作为调制用信号大多使用三角波，在以下的叙述中，作为调制用信号虽然对使用三角波的情况进行说明，但是除三角波之外，也可以使用锯齿波或梯形波等的调制波。

图1示出了单个天线方式的FM-CW雷达的构成。如图1所示，从调制信号发生器1给压控振荡器2加上调制用信号进行FM调制，通过环行器5从天线AT向外部发射FM调制波。然后，进行接收，用天线AT接收被前方车辆等的目标物体反射的反射信号，通过环行器5输入给频率变换器4。输入进来的信号在频率变换器4中与从通过定向耦合器3供给的来自压控振荡器2的输出中分枝出来的本地信号进行混频，产生差拍信号。

图2是用来说明在与目标物体之间的相对速度为0的情况下的FM-CW雷达的原理的说明图。在该情况下，发射波是三角波，频率就像图2(a)的实线那样地变化。发射波的中心频率为fo，FM调制宽度为Δf，重复周期为Tm。该发射波被目标物体反射后用天线接收，变成为图2(a)的虚线所示的接收波。与目标物体之间的电波的往返时间，若设与目标物体之间的距离为r，电波的传播速度为C，则将变成为T＝2r/C。

该接收波与和目标物体间的距离相对应地产生与发射信号之间的频率的偏离(差拍)。该差拍频率成分fb可以用下式表示。

fb＝fr＝(4·Δf/C·Tm)r        (1)

另一方面，图3是用来说明与目标物体之间的相对速度为v的情况下的FM-CW雷达的原理的说明图。发射波的频率如图3(a)的实线所示的那样变化。该发射波被目标物体反射后用天线进行接收，变成为用图3(a)的虚线所示的接收波。该接收波与雷达和目标物体之间的距离相对应地产生与发射信号之间的频率的偏离(差拍)。在该情况下，由于在与目标物体之间具有相对速度v，故变成为多普勒频移，差拍频率成分fb可以用下式表示。

fb＝fr+fd                          (2)

  ＝(4·Δf/C·Tm)r±(2·fo·C)v

在上述式(1)、(2)中，各个标号的意义如下。

fb：发射接收差拍频率

fr：距离频率

fd：速度频率

fo：发射波的中心频率

Δf：FM调制宽度

Tm：调制波的周期

C：光速(电波的速度)

T：到目标物体为止的电波的往返时间

r：到目标物体为止的距离

v：与目标物体之间的相对速度

这样一来，就可以根据上述式(1)、(2)求到目标物体为止的距离和与目标物体之间的相对速度。

在这里，若考虑差拍信号的功率，则天线的接收功率Pr可以用式(3)表示

Pr＝{(G²·λ²·σ·Pt)/((4π)³·r⁴)}·La    (3)

而差拍输出功率Pb则可以用式(4)表示

Pb＝Pr·Cmix               (4)

在上述式(3)、(4)中，各个标号的意义如下。

G：天线增益

λ：波长

σ：反射物体面积

Pf：发射功率

r：到目标物体为止的距离

La：大气衰减

Cmin：在混频器中的损耗

另一方面，单个天线时分控制方式FM-CW雷达，把天线当作发射接收用天线AT，具备由切换手段构成的发射接收切换部分，借助于时分控制进行发送接收切换。

但是，在单个天线时分控制方式FM-CW雷达的情况下，为了交互地切换发射的定时和接收的定时，发射功率常常会通过发送接收切换部分漏泄到接收系统里来。归因于此，就会发生下述问题：接收系统的饱和增益的压缩的发生、发射接收切换频率向接收系统的漏泄的增加、或FM-CW变换噪声的增加等。

发明的目的

因此，本发明的目的在于：在单个天线时分控制方式FM-CW雷达中，改善发射接收间的隔离，使得发射功率不会通过发射接收切换部分向接收系统漏泄。

发明的内容

本发明的FM-CW雷达，是一种具备发射接收天线和发射接收切换部分，借助于时分切换发射接收的单个天线时分控制方式FM-CW雷达，在含有发射接收切换部分的发射系统和接收系统及该发射接收切换部分的信号路径中分别设置放大器，具有与发射和接收定时相吻合地使设置在发射系统中的放大器和设置在接收系统中的放大器交替地动作的控制手段，进行发射接收的切换。

放大器的动作，采用控制放大器的增益的办法进行。此外，放大器的动作可以进行接通(ON)动作和切断(OFF)动作。

放大器进行多级连接，在发送系统和接收系统的信号路径中，分别在多个部位设置有多级连接起来的放大器。

此外，也可以使在设置在发送系统的信号路径内的本地信号分枝部分内与放大器串联地设置的倍频器进行通断，与放大器一起进行发射接收切换动作的一部分。

此外，作为发射接收切换部分可以使用无源元件，作为无源元件，可以使用厚膜电路或Y型功率分配器。

发明的效果

在本发明中，在单个天线时分控制方式FM-CW雷达中，由于在发送系统和接收系统的信号路径内分别设置放大器，采用使该放大器的偏置电压变化的办法，使这些放大器进行通断，使发送系统和接收系统隔离开来，故可以确实地进行隔离。此外，采用在每一个发送系统和接收系统中的多个部位设置放大器，而这些放大器多级地进行设置的办法，可以更加确实地使发送系统和接收系统进行隔离，而且也易于进行调整。

此外，由于把厚膜电路或Y型功率分配器等无源元件用做发送接收切换部分，故可以降低功耗，此外，由于不再需要在发送接收切换部分中使用的开关，故去掉了偏置条件不同的IC，缩小偏置用电路的规模，因而，可以降低造价。

此外，采用用倍频器进行发射接收的切换，或者在倍频器之前设置放大器(A1、A2)，使之在低的频段进行动作的办法，可以以良好的效率实现发射接收间的隔离。

这样一来，如上所述采用实现发射接收间的隔离的办法，就可以满意地得到接收增益，就可以降低切换频率向差拍信号的漏泄，降低FM-AM变换噪声，就可以改善接收机S/N比。归因于此，就可以提高雷达的探测性能。

附图的简单说明

图1示出了单个天线方式FM-CW雷达的构成。

图2是说明FM-CW雷达的原理的说明图。

图3是说明FM-CW雷达的原理的说明图。

图4示出了本发明适用的单个天线时分控制方式FM-CW雷达的构成。

图5示出了图4所示的单个天线时分控制方式FM-CW雷达的IF信号的频谱和差拍信号的频谱。

图6示出了单个天线时分控制方式FM-CW雷达的发射接收的定时。

图7的曲线图示出了加在压控振荡器上的电压和输出频率、输出功率及借助于AM检波而产生的电压的关系。

图8示出了从调制信号发生器供往压控振荡器的信号电压和借助于AM检波而产生的电压的波形。

图9示出了单个天线时分控制方式FM-CW雷达的构成的一个例子。

图10示出了本发明的单个天线时分控制方式FM-CW雷达的构成。

图11示出了放大器A的构成的一个例子。

图12的曲线图示出了在使栅极G或漏极D的偏置电压变化的情况下的放大器A的增益的变化。

图13示出了厚膜电路的例子。

图14示出了Y型功率分配器的例子。

图15是说明在发送接收切换部分中使用厚膜电路的情况下的漏泄的发生的说明图。

图16示出了MMIC开关。

图17示出了使厚膜电路与放大器组合起来使用的构成。

发明的详细说明

以下，参看附图更为详细地对本发明进行说明。

图4示出了使用本发明的单个天线时分控制方式FM-CW雷达的构成。在图4中，具备以天线为发射接收用天线AT，由开关手段构成的发送接收切换部分6，借助于时分控制进行发射接收切换。此外，在接收一侧，设置有第1频率变换器4-1和第2频率变换器4-2。

从调制信号发生器1把调制用信号加到压控振荡器2上进行FM调制后的输出，通过发送接收切换部分6从天线AT向外部发射。7是调制信号发生器，为了使发送接收切换部分6进行切换，就要产生频率为fsw的调制信号。

用天线AT接收被前方车辆等反射的反射信号通过发送接收切换部分6进行输入，与在第1频率变换器4-1中从通过定向耦合器3供给的来自压控振荡器2的输出中分枝出来的本地信号进行混频，变成为IF信号。第2频率变换器4-2，使从第1频率变换器4-1输出出来的信号与从调制信号发生器7产生的频率fsw的信号进行混频以进行向下变频，产生含有与目标物体之间的距离和相对速度的信息的差拍信号。

图5示出了本身为图4的单个天线时分控制FM-CW雷达方式的第1频率变换器4-1的输出信号的IF信号的频谱和从第2频率变换器4-2输出的差拍信号的频谱的一个例子。如图5(a)所示，IF信号的频谱将变成为频率fsw与其边带的频率fsw±fr。其中，fsw是发送接收切换部分6的切换频率，fr是相对速度为0的情况下的到目标物体为止的距离频率。因此，与目标物体之间的距离越远，则边带的频率就离fsw越远。该输出信号在第2频率变换器4-2中与频率fsw混频向下变频为fsw与fsw±fr之差的频率，如图5(b)所示，就可以取出具有频谱fb的差拍信号。

图6示出了单个天线时分控制方式FM-CW雷达的发射接收的定时。如(a)所示，当用具有周期T的定时进行发射时，在目标处反射而返回来的反射波的定时将变成为(b)那样。但是，在本身为可以接收的期间的接收定时，如(c)所示，将变成为不与定时(a)重叠的定时。因此，可以接收反射波的定时，如(d)所示，变成为td的期间。

对FM-AM变换噪声的增加进行说明。在对使用变容管的压控振荡器或使栅极电压可变的压控振荡器进行调制的情况下，取决于要加在变容管上的电压或加在栅极上的电压，从压控振荡器输出的信号的频率和功率会发生变化。图7的曲线图示出了加在变容管或栅极上的电压与频率、功率等的关系。

如图7(a)所示，当使加在变容管或栅极上的电压VT以Vc为中心变化成Va和Vb时，频率就以fc为中心变换成fa和fb。图7(b)的曲线示出了电压VT与功率之间的关系。功率变成为恒定的值Pc，而不会变化，是理想的。但是，如图7(b)所示，实际上却以Pc为中心变化成Pa和Pb。

另一方面，在频率变换器中，归因于AM检波而产生的电压Vd由于会相应于功率P而变化，故如图7(c)所示，将以Vdc为中心变化为Vda和Vdb。

图8示出了从调制信号发生器向压控振荡器供给的信号和在该情况下的电压Vd的波形。图8(a)是从调制信号发生器供往压控振荡器的信号，如图所示，变成为三角波。另一方面，在把图8(a)所示的信号电压供往压控振荡器的情况下，如图7(b)所示，由于功率P也将变化，故如图8(b)所示，电压Vd的波形，同样将变成为三角波，变成为FM-AM变换噪声。

图9示出了单个天线时分控制方式FM-CW雷达的构成的一个例子。从调制信号发生器1给压控振荡器2加上调制用信号进行FM调制，FM调制后的调制波输入给本地信号分枝部分8。FM调制波例如是38GHz波段。本地信号分枝部分8具有厚膜电路H等无源元件、放大器A1、A2和倍频器T1、T2，来自厚膜电路H的输出，通过放大器A1、倍频器T1被供往放大器A3、A4。来自厚膜电路H的另一方的输出，则通过放大器A2、倍频器T2，作为本地信号被供往频率变换器4-1。来自厚膜电路H的输出，用倍频器T1、T2进行倍频，例如变成为76GHz。放大器A3、A4的输出通过发送接收切换部分6从发射接收天线AT向外部发射。发射出去的调制波，被前方车辆等的目标物体反射，用天线AT进行接收，并通过发送接收切换部分6、放大器A5、A6和放大器A7、A8输入给频率变换器4-1。然后，与来自倍频器T2的本地信号进行混频，变成为IF信号。在图9中，Vcc是提供给放大器的电源。7是调制信号发生器，产生用来使发送接收切换部分6进行切换的频率为fsw的调制信号。从频率变换器4-1输出的IF信号在频率变换器4-2中与从调制信号发生器输出的频率为fsw的信号进行混频，向下变频以产生含有与目标物体之间的距离和相对速度的信息的差拍信号。

在图9所示的构成的情况下，如上所述，由于借助于发送接收切换部分6交替地切换发射和接收定时，故存在着发射功率会通过发送接收切换部分6漏泄到接收系统中去的问题。本发明就是要解决这样的问题。

图10示出了本发明的单个天线时分控制方式FM-CW雷达的构成。由于基本的构成与图9是一样的，故说明那些与图9不同的部分。在图10中，作为发送接收切换部分6，具备发射一侧放大器A10、A11、A12，作为发射接收共用器的厚膜电路H等的无源元件以及接收一侧放大器A20、A21。因此，在图示的状态下，作为偏压，给发射系统的放大器A1、A3、A4、A10、A11、A12加上VA，变成为动作状态，变成为ON。作为偏压，给接收系统的放大器A20、A21、A5、A6、A7、A8加上VB，变成为非动作状态，变成为OFF。另外，给放大器A2加上通常的电源电压Vcc，总是把本地输出供往频率变换器4-1。上述偏压VA、VB交替地加到发射一侧和接收一侧。例如，在发射时，给发送系统的放大器加上偏压VA使发送系统的放大器动作，在接收时，给接收系统的放大器加上偏压VB使接收系统的放大器动作。借助于此，在发射时接收系统的放大器就变成为OFF，而在接收时，发送系统的放大器则变成为OFF而被断开，故发射功率不会向接收系统漏泄。但是，在该情况下，并非一定要是使放大器进行ON、OFF动作的偏压不可，只要是能变成为使发射功率不会向接收系统漏泄的那种程度的动作、非动作即可。

图11示出了放大器A的构成。信号从栅极G输入，从漏极D输出。图12的曲线图示出了在使栅极G或漏极D的偏置电压变化的情况下的放大器A的增益的变化。(a)示出的是使栅极电压VG变成为恒定使漏极D的偏压从VB变化成VA的情况下的增益的变化。在加上偏压VB时，增益变成为GB，变低。这时，放大器A几乎不动作，实质上变成为OFF状态。另一方面，在加上偏压VA时，放大器A变成为动作状态，变成为ON状态。

(b)示出的是使漏极偏压VD变成为恒定，使栅极的偏压从VB变换成VA的情况下的增益的变化。在加上偏压VB时，增益变成为GB，变低。这时，放大器A几乎不动作，实质上变成为OFF状态。另一方面，在加上偏压VA时，增益GA增加，放大器A变成为动作状态，变成为ON状态。

如上所述，采用使栅极或漏极的偏压变化的办法，就可以把放大器A的动作控制为ON、OFF。因此，在图10中，在发射时就使发送系统的放大器的偏压变成为VA变成为ON状态，另一方面使接收系统的放大器A的偏压变成为VB变成为OFF状态。这样一来，在接收时借助于使之变成为与上述相反的办法，就可以实现发送系统与接收系统的隔离。

在图10所示的构成中，本地信号分枝部分8的放大器A1、A2配置在倍频器T1、T2前边，在低的频段中进行放大。这是因为在低的频段一方易于制作放大器，此外，易于使之进行ON、OFF动作的缘故。

此外，在图10所示的构成中，虽然使用多个放大器进行多级连接，但也可以使用单个放大器。但是，采用使多个放大器进行多级连接的办法，比起单个的情况来，将确实地进行隔离，且变得易于进行调整。此外，由于发送系统和接收系统都在多个部位设置放大器，故借助于使它们同时进行ON、OFF，就可以确实地进行隔离。

此外，在上述的说明中，虽然说明的是借助于放大器进行发射接收的切换，但是，也可以采用在发射一侧中使设置在图10的本地信号分枝部分8处的倍频器T1进行ON、OFF的办法，与放大器一起进行发射接收的切换。倍频器的构成，与图11所示的构成是同样的。特性也可以像图12所示的那样表示。与放大器之间的不同，在于在图12中横轴的电压绝对值不同，纵轴是频率变换增益，绝对值不同。倍频器的动作与放大器几乎是一样的。

此外，可以把厚膜电路或Y型功率分配器等的无源元件用做连接到天线上的发送接收切换部分。厚膜电路的例子示于图13，而Y型功率分配器的例子示于图14。图13是圆形轨道(rut race)形厚膜电路。例如，在使用厚膜电路H的情况下，如用15的虚线所示，就会产生漏泄，发射接收间就不能进行充分隔离。于是，以往，例如使用图16所示的MMIC开关，采用在正在发射时不接收，不进行发射时则进行接收的办法使发射接收进行隔离。

尽管用厚膜电路H不能使发射接收间充分地隔离，但是，如图17所示，采用把厚膜电路H和放大器组合起来，使发送系统放大器At和接收系统放大器Ar交替地进行ON、OFF动作以进行发射接收的切换的办法，就可以与使用开关的情况下同样地，可以充分地使发射接收间进行隔离。为此，在发送接收切换部分中就可以使用厚膜电路H。Y型功率分配器的情况也是同样的。

Claims (5)

1.一种单个天线时分控制方式FM-CW雷达，具备发射接收天线和发射接收切换部分，借助于时分切换发射接收，其特征在于：在含有上述发射接收切换部分的发射系统和接收系统及该发射接收切换部分的信号路径中分别设置放大器，具有与发射和接收定时相吻合地使设置在该发射系统中的放大器和设置在该接收系统中的放大器动作的控制部分，使该放大器交替地进行工作以进行发射接收的切换，

上述放大器的工作，采用控制放大器的增益的办法进行。

2.根据权利要求1所述的单个天线时分控制方式FM-CW雷达，其特征在于：上述放大器进行多级连接。

3.根据权利要求1所述的单个天线时分控制方式FM-CW雷达，其特征在于：上述放大器在发射系统和接收系统的信号路径中，分别设置在多个部位。

4.根据权利要求1所述的单个天线时分控制方式FM-CW雷达，其特征在于：作为上述发射接收切换部分，无源元件连接到天线上。

5.根据权利要求4所述的单个天线时分控制方式FM-CW雷达，其特征在于：上述无源元件，是厚膜电路或Y型功率分配器。

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