CN203881938U - 小型化38GHz毫米波宽带线性调频避障雷达前端收发电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种小型化38GHz毫米波宽带线性调频避障雷达前端收发电路，包括：基于FPGA的三角波发生器、压控振荡器、功率分配器，基于三角波发生器产生三角形波形，送入压控振荡器的输入端，压控振荡器产生设定频率和带宽的微波信号送入功率分配器输入端；功率分配器则与信号发射支路和信号接收支路分别连接；其中，所述信号发射支路包括依次连接的第一倍频器、滤波器、功率放大器以及发射天线；所述信号接收支路包括依次连接的第二倍频器、混频器、低噪声放大器和接收天线本实用新型通过倍频直接产生出宽带线性调频雷达信号，主要用于输电线路无人机巡检系统，实现无人机对障碍物避让探测，可提高探测目标的距离分辨率。
Description
技术领域
本实用新型属于毫米波雷达探测技术领域，是一种小型化38GHz毫米波宽带线性调频避障雷达前端收发电路，可用于无人机输电线路巡检系统的避障传感器设计。
背景技术
利用无人机在电力系统防灾减灾和线路巡视中的广泛地应用，实现电网灾情监控、快速巡视、隐患发现等功能，实现管理的一体化，将故障杜绝在隐患阶段，可极大地提升电力系统输配电运行、管理和维护水平。但目前无人机经常发生被电力输电线、树林等撞击而致严重事故，在暴风雨天气恶劣等情况下，引发事故的概率更大。
毫米波避障雷达目前在无人机上应用未见报道。根据避障雷达的要求,不能采用常规的雷达信号体制。
原因如下：
1.常规雷达的发射信号源一般采用脉冲雷达信号、且非距离高分辨；
2.超低空飞行时，地面会产生地面杂波，会使探测出现虚惊；
3.无人机载荷量小，而传统的毫米波系统设计得体积大、重量大，不能满足系统设计要求。
实用新型内容
本实用新型的目的就是针对上述问题，提供一种基于LTCC工艺、采用直接线性调频方式设计的小型化38GHz毫米波宽带线性调频避障雷达前端收发电路。适于无人机尤其是小型无人机在低空飞行时对障碍物避让探测，
实现本实用新型目的的技术解决方案为：
一种小型化38GHz毫米波宽带线性调频避障雷达前端收发电路，包括：基于FPGA的三角波发生器、压控振荡器、功率分配器，基于三角波发生器产生三角形波形，送入压控振荡器的输入端，压控振荡器产生设定频率和带宽的微波信号送入功率分配器输入端；功率分配器则与信号发射支路和信号接收支路分别连接；其中，
所述信号发射支路包括依次连接的第一倍频器、滤波器、功率放大器以及发射天线；
所述信号接收支路包括依次连接的第二倍频器、混频器、低噪声放大器和接收天线。
所述三角波发生器的电压值在1～8V；
上述各元件在一个多层LTCC的基片上集成。
所述压控振荡器为Ku波段的宽带压控振荡器，用于产生中心频率为19GHz且带宽为大于±100MHz的微波信号。
所述第一倍频器将所述19GHz且带宽为大于±100MHz的微波信号倍频至频率为38GHz且带宽为大于±200MHz的毫米波信号。
所述第二倍频器将所述19GHz且带宽为大于±100MHz的微波信号倍频至频率为38GHz且带宽为大于±200MHz的毫米波信号。
所述发射支路的发射信号和信号接收支路接收的信号具有相同的调频斜率K，该毫米波信号只在雷达接收窗口期间存在。
所述混频电路对接收到的信号进行去线性调频，输出被解调的接收信号。
所述低噪声放大器的噪声系数在2.5-4.5之间。
改进型Wilkinson功分器由四段传输线组成，没有隔离电阻。传输线A、Cl、C2的特征阻抗均为Z0。传输线B位于A和Cl、C2之间，它的电长度为四分之一波长，特征阻抗为从端口1输入的信号，通过传输线B，被分成幅度和相位相等的的两路信号，分别经过传输线Cl和C2到达端口2和端口3，在整个结构中，传输线B起到了阻抗变换的作用。从传输线A、B相接处向左看，输入阻抗为Z0。从传输线B与C1、C2相接处向右看，输入阻抗为Z0/2。利用四分之一阻抗变换器的原理我们知道，传输线的特征阻抗为即因此，整个电路处于功率分配与合成时，在中心频点处，三个端口都能匹配良好，没有反射。这种改进型的结构克服了标准威尔金森功分器的一系列缺点，同时由于省去了隔离电阻，所以成本降低，也不存在电阻分布参数的问题，并且与传统威尔金森功分器相比，减少了一段四分之一波长传输线，另外，构成变换器的四分之一波长传输线B的特征阻抗较低，线宽较宽，能有效降低制板误差。
所有毫米波有源和无源电路在一个多层LTCC的基片上实现。
本实用新型提供小型化38GHz毫米波宽带线性调频避障雷达前端收发电路，可适用于无人机避障雷达的收发前端。因为常规雷达不能作为高压线的探测避障。而雷达探测电缆需要频率高,雷达探测信号带宽要宽。而毫米波与目前常规雷达相比：其特点是频率高，带宽宽,波束窄。这样即可把掩盖在地面杂波中的输电线检测分辨出来。采用一个19GHz的VCO单片和一个三角波产生器直接得到了19GHz的宽带线性调频信号。采用两个两倍频器单片直接对19GHz的宽带线性调频信号倍频得到了两路38GHz的毫米波信号。所有系统单片倍集成在了一个LTCC单片基板上，省掉单片之间的金属壳体，使得系统重量变轻，体积变小。
附图说明
图1为小型化38GHz毫米波宽带线性调频避障雷达前端收发电路的电路连接示意图。
图2为改进型Wilkinson功分器。
图3为LTCC基片集成波导谐振腔结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述
基于FPGA的三角波发生器的输出作为所述压控振荡器VCO的输入，该基于FPGA的三角波发生器用于产生三角形波形，其电压值至1～8V，程控19GHz的压控振荡器(VCO)。较佳地，所述压控振荡器为Ku波段的宽带压控振荡器，用于产生中心频率为19GHz且带宽为大于±100MHz的微波信号，该输出的微波信号经所述功率分配器进行等能量功分后，分别输入发射支路和接收支路；发射支路包括依次连接的第一倍频器、滤波器、功率放大器和发射天线组成；接收支路由第二倍频器、混频器、低噪声放大器和接收天线组成。
所述第一倍频器用于将所述19GHz且带宽为大于±100MHz的微波信号倍频至频率为38GHz且带宽为大于±200MHz的毫米波信号，该第一倍频器的输出经过所述滤波器、功率放大器进行过滤和放大后得到发射信号，并输入至所述发射天线，由该发射天线发射。
所述第二倍频器用于将所述19GHz且带宽为大于±100MHz的微波信号倍频至频率为38GHz且带宽为大于±200MHz的毫米波信号，其中该第二倍频器产生的频率为38GHz且带宽为大于±200MHz的毫米波信号具有与所述发射信号相同的调频斜率K，该毫米波信号只在雷达接收窗口期间存在，所述第二倍频器的输出作为所述混频器的一个输入，所述接收天线用于接收回波信号，该回波信号经所述低噪声放大器进行低噪放大后作为所述混频电路的另一个输入；
所述混频器用于对接收到的回波信号进行去线性调频，输出被解调的回波信号。
图2中，改进型Wilkinson功分器由四段传输线组成，没有隔离电阻。传输线A、Cl、C2的特征阻抗均为Z0。传输线B位于A和Cl、C2之间，它的电长度为四分之一波长，特征阻抗为从端口1输入的信号，通过传输线B，被分成幅度和相位相等的的两路信号，分别经过传输线Cl和C2到达端口2和端口3，在整个结构中，传输线B起到了阻抗变换的作用。从传输线A、B相接处向左看，输入阻抗为Z0。从传输线B与C1、C2相接处向右看，输入阻抗为Z0/2。利用四分之一阻抗变换器的原理我们知道，传输线的特征阻抗为即因此，整个电路处于功率分配与合成时，在中心频点处，三个端口都能匹配良好，没有反射。这种改进型的结构克服了标准威尔金森功分器的一系列缺点，同时由于省去了隔离电阻，所以成本降低，也不存在电阻分布参数的问题，并且与传统威尔金森功分器相比，减少了一段四分之一波长传输线，另外，构成变换器的四分之一波长传输线B的特征阻抗较低，线宽较宽，能有效降低制板误差。
所述低噪声放大器的噪声系数在2.5-4.5之间。
本实用新型中采用的去线性调频原理为常用的解调方法。
图3为LTCC基片集成波导谐振腔结构图。矩形波导的宽度为a，矩形波导的长度为b，两层金属板的距离为h，连接上下两层金属板通孔的半径为d，相邻两个通孔的距离为s，电磁波在LTCC介质中的波长为λ。基片集成波导的电磁场辐射和反射损耗主要由金属化通孔直径与相邻金属化通孔之间的距离影响，间距越小孔间能量泄露越少，电磁场辐射损耗越低。根据理论分析以及实验验证，当s＜λ,s＜4d时基片集成波导腔体特性与传统的金属波导等效。由于TE101模谐振与谐振腔的高度没有关系，确定谐振频率后就可以选择腔体的长度和宽度。因此本实用新型中滤波器中心频率为38GHz，带宽1GHz。选择三阶交叉耦合形式设计滤波器。
本实用新型在整体上可以采用多种封装方式封装后，作为无人机前端发射与接收部分。
Claims (3)
1.一种小型化38GHz毫米波宽带线性调频避障雷达前端收发电路，其特征在于，包括：基于FPGA的三角波发生器、压控振荡器、功率分配器，基于三角波发生器产生三角形波形，送入压控振荡器的输入端，压控振荡器产生设定频率和带宽的微波信号送入功率分配器输入端；功率分配器则与信号发射支路和信号接收支路分别连接；其中，所述信号发射支路包括依次连接的第一倍频器、滤波器、功率放大器以及发射天线；所述信号接收支路包括依次连接的第二倍频器、混频器、低噪声放大器和接收天线；上述各元件在一个多层LTCC的基片上集成。
2.如权利要求1所述的小型化38GHz毫米波宽带线性调频避障雷达前端收发电路，其特征在于，所述功率分配器为一改进型Wilkinson功分器，由四段传输线组成，彼此间没有隔离电阻；其中，传输线A、Cl、C2的特征阻抗均为Z0，传输线B位于A和Cl、C2之间，它的电长度为四分之一波长，特征阻抗为从端口1输入传输线A的信号，通过传输线B，被分成幅度和相位相等的的两路信号，分别经过传输线Cl和C2到达端口2和端口3，在整个结构中；从传输线A、B相接处向左看，输入阻抗为Z0；从传输线B与C1、C2相接处向右看，输入阻抗为Z0/2；整个传输线的特征阻抗为，即整个电路处于功率分配与合成时，在中心频点处，三个端口都能匹配良好，没有反射。
3.如权利要求1所述的小型化38GHz毫米波宽带线性调频避障雷达前端收发电路，其特征是，所述滤波器中心频率为38GHz，带宽1GHz，采用选择三阶交叉耦合形式的滤波器。
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