CN210514612U

CN210514612U - 基于无源变频的微波测距系统

Info

Publication number: CN210514612U
Application number: CN201921043622.7U
Authority: CN
Inventors: 王占平; 王辰乐; 宁俊松; 补世荣; 曾成; 陈柳
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-07-05
Filing date: 2019-07-05
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2029-07-05

Abstract

一种基于无源变频的微波测距系统，属于微波测距技术领域。该测距系统包括主台仪器和副台仪器；其中，副台仪器包括副台仪器天线和无源变频装置，无源变频装置包括输入匹配网络、输出匹配网络、含异质结的晶体管和谐振网络，所述输入匹配网络的输出端与含异质结的晶体管漏极相连，输出匹配网络的输入端与含异质结的晶体管源极相连，含异质结的晶体管栅极通过谐振网络接地，无源变频装置馈入来自主台仪器天线发出的微波信号。本实用新型提供的一种基于无源变频的微波测距系统，副台仪器采用无源变频装置，有效简化了系统，降低了成本。

Description

基于无源变频的微波测距系统

技术领域

本发明属于微波测距技术领域,具体涉及一种基于无源变频的微波测距系统。

背景技术

目前，微波测距主要是利用电磁波在均匀介质空间中传播的直线性和等速性，按测距原理可以划分为脉冲法、频率法和相位法。但是，目前的测距系统都是需要将主副两台仪器安置在测线的两端，主台发射的测距信号被副台接收后，再由副台转发给主台。而且为了提高精度，在主台发射信号的同时，副台也发射信号给主台。这样就需要复杂程度一样的两台仪器，且主副台仪器都需要具备实现收发信号的功能，即都需要包括直流供电。这样导致测距系统复杂，成本高昂，体积重量相对较大，限制了其应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于无源变频的微波测距系统，副台仪器采用无源变频装置，有效简化了系统，降低了成本。

本发明采用的技术方案如下：

基于无源变频的微波测距系统，包括主台仪器和无源的副台仪器；其中，所述主台仪器包括信号源1、隔离器2、功率放大器3、双工器4、低噪声放大器5、频率测定仪6和主台仪器天线7，所述信号源产生微波信号，经隔离器后输入功率放大器进行放大处理，放大后的信号输入双工器的第一通带端口，双工器的主口连接主台仪器天线，第二通带端口输出的信号输入低噪声放大器，经低噪声放大器放大来自副台仪器的无源变频信号后，输入频率测定仪检测频率；

所述无源的副台仪器包括副台仪器天线8和无源变频装置9，副台仪器天线接收来自主台仪器的信号并发射无源变频装置产生的变频信号；其中，无源变频装置包括输入匹配网络、输出匹配网络、含异质结的晶体管和谐振网络，所述输入匹配网络的输出端与含异质结的晶体管漏极相连，输出匹配网络的输入端与含异质结的晶体管源极相连，含异质结的晶体管栅极通过谐振网络接地，无源变频装置馈入来自主台仪器天线发出的微波信号。

进一步地，所述无源变频装置输出信号的频率，根据副台仪器天线接收到的来自主台仪器的微波功率确定。

更进一步地，根据主台仪器天线的发射功率P_s以及主台仪器接收到的来自副台仪器产生的变频信号的频率，利用friis传输公式及无源变频装置的功率-频率曲线，即可计算得到主副台仪器之间的距离。

进一步地，所述信号源产生的微波信号的频率为3MHz～40GHz。

进一步地，所述含异质结的晶体管可以为异质结双极型晶体管或者场效应管(FET)等；其中，所述场效应管可以为金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者高电子迁移率晶体管(HEMT)。

进一步地，所述无源变频装置中，输入匹配网络11的目的是实现天线阻抗与晶体管漏极阻抗的匹配，将主台仪器发射的信号更高效地馈入晶体管；输出匹配网络12的目的是实现源极阻抗到天线的阻抗匹配，将输出的变频信号顺利的发射出去。

本发明提供的一种基于无源变频的微波测距系统，其工作原理为：

信号源产生微波信号，经隔离器后输入功率放大器进行放大处理，放大后的信号输入双工器的第一通带端口，经与双工器的主口连接的主台仪器天线发射；副台仪器天线接收该主台仪器发射的信号后，经无源变频装置产生变频信号；产生的变频信号经副台仪器天线发射出去，经主台仪器天线接收后，通过双工器的第二通带端口输出；双工器第二通带端口输出的信号输入低噪声放大器，经低噪声放大器放大来自副台仪器的无源变频信号后，输入频率测定仪检测频率。然后，根据主台仪器天线的发射功率P_s以及主台仪器接收到的来自副台仪器产生的变频信号的频率，利用friis传输公式及无源变频装置的功率-频率曲线，即可计算得到主副台仪器之间的距离。

本发明的有益效果为：

本发明的测距系统，基于无源变频技术，将低功率的射频单音信号(频率为f₁)转换为另一个频率不相关的单音信号(频率为f₂)，且f₂可控；结合friis传输公式以及无源变频装置的功率-频率曲线即可计算得到主副台仪器之间的距离。具有以下优点：

1、测距系统中的副台仪器的结构简单，无需复杂的发射系统；

2、不同于当前的脉冲法、频率法和相位法三种测距方法，为微波测距提供了新方法；

3、降低了测距系统的成本，减小了副台仪器的体积和重量，扩大了应用范围。

附图说明

图1为本发明基于无源变频的微波测距系统的整体结构示意图；

图2为本发明基于无源变频的微波测距系统中，主台仪器的结构示意图；

图3为本发明基于无源变频的微波测距系统中，副台仪器的结构示意图；

图4为本发明基于无源变频的微波测距系统中，无源变频装置的结构示意图；

图5为本发明实施例中无源变频装置的接收功率和输出变频信号的频率的关系示意图；

图6为本发明实施例所用到的friis公式参数定义的示意图；

附图标记说明：1、信号源；2、隔离器；3、功率放大器；4、双工器；5、低噪声放大器；6、频率测定仪；7、主台仪器天线；8、副台仪器天线；9、无源变频装置；10、含异质结的晶体管；11、输入匹配网络；12、输出匹配网络。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

如图1所示，为本发明基于无源变频的微波测距系统的整体结构示意图；包括主台仪器和副台仪器两部分。本发明的主台仪器中信号源1所产生的微波信号频率为3MHz～40GHz，以下为便于描述，以2.5GHz的单音信号为例进行说明。

图2为主台仪器的结构示意图，包括信号源1、隔离器2、功率放大器3、双工器4、低噪声放大器5、频率测定仪6和主台仪器天线7。信号源1，目的是产生2.5GHz的射频单音信号，在信号源1后接隔离器2，防止反射信号回灌至信号源，烧毁信号源1；在隔离器2后加功率放大器3，用于将2.5GHz的单音信号放大，以保证该信号经过衰减后，满足发生无源变频现象所需的门槛功率；功率放大器3输出端接入双工器4的2.5GHz通带端口即第一通带端口，双工器的主口接入主台仪器天线7。双工器4的第二通带频率范围需大于等于无源变频装置输出信号f₂的频率范围(本实施例中2.416GHz<f₂<2.428GHz)并且第一通带与第二通带的隔离度要足够，以防止2.5GHz的大信号泄漏至接收信号f₂的通道；第二通带端口接低噪声放大器5的输入端，放大来自副台仪器的无源变频信号f₂，便于频率检测。频率测定仪6接低噪声放大器5的输出端口，检测变频信号f₂的频率。

如图3所示为副台仪器的结构示意图，副台仪器包括副台仪器天线8和无源变频装置9；副台仪器天线8接收来自主台仪器2.5GHz的信号(为无源变频装置9提供变频所需的功率信号)并发射无源变频装置9产生的变频信号f₂。

如图4所示，为无源变频装置9的结构示意图；无源变频装置9包括含异质结的晶体管10。含异质结的晶体管可以在不供给直流电的情况下将低功率的射频单音信号(频率为f₁)转换为另一个频率不相关的单音信号(频率为f₂)且f₂可控，即为无源变频技术。其工作时，漏极输入微波泵浦(即本实施例中的频率为f₁的单音信号)，基态能级E₀的极化激元被激励到更高能级E_h＝E₀+h·f₁(h是普朗克常量，f₁是输入频率)。当E_h能级上不稳定极化激元跃迁到更低能级上时，形成自发辐射。为了形成稳定的受激辐射，采用谐振网络(谐振电感与含异质结的晶体管内部的结电容形成的谐振网络)，在其谐振频率f_r处提供指定能级。这样，激发极化激元将在能量能级E_r＝E_h-h·f_r＝E₀+h·(f₁-f_r)上达到最大跃迁速率。因此，极化激元首先从E_h跃迁到E_r，辐射产生频率f₂＝f₁-f_r；然后从E_r跃迁到E₀，辐射产生频率f_r。f₂受f₁以及其电平功率的控制。由于能级具有一定宽度，故产生的频率f₂有一定的变化范围。

本实施例中，谐振频率f_r＝80MHz，从而决定输出变频信号的频率f₂。输出变频信号频率f₂＝f₁-f_r＝2.5GHz-80MHz＝2.42GHz附近变化。

主台仪器天线所发射的信号f₁的功率经过最大测量距离衰减后，被副台仪器接收且仍高于能发生无源变频现象的门槛功率。该发射功率主要依靠主台仪器中的功率放大器来保证。

主台仪器的双工器的两个通带，一个通带传输发送单音信号f₁，另一个通带带宽要满足无源变频信号f₂的频率范围。同时，两个通带间的隔离度要足够大。

主台仪器天线和副台仪器天线的极化方向以及最大接收方向在对准情况下，灵敏度最高，测距最远，不对准也可以测，但测试灵敏度和作用距离稍差。

采用该系统进行微波测距时，在本发明的具体实施例中，无源变频装置接收的2.5GHz信号的功率和输出变频信号的频率f₂关系如图5所示。由图5可知，无源变频装置接收的2.5GHz信号的功率和输出变频信号f₂为一一映射关系。在主台仪器的频率测定仪6检测到变频信号f₂的频率，可以利用图5中的数据关系确定无源变频装置9接收到的2.5GHz信号的功率，记为P_r。同时由链路关系计算出主台仪器发射端2.5GHz信号的功率P_t。具体的计算过程如图6所示，friis公式的参数示意图。此时已经知道收发天线两端的功率，则由friis公式可以计算出主副台仪器之间的距离。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.基于无源变频的微波测距系统，包括主台仪器和副台仪器；其中，所述主台仪器包括信号源(1)、隔离器(2)、功率放大器(3)、双工器(4)、低噪声放大器(5)、频率测定仪(6)和主台仪器天线(7)，所述信号源产生微波信号，经隔离器后输入功率放大器进行放大处理，放大后的信号输入双工器的第一通带端口，双工器的主口连接主台仪器天线，第二通带端口输出的信号输入低噪声放大器，经低噪声放大器放大来自副台仪器的无源变频信号后，输入频率测定仪检测频率；

所述副台仪器包括副台仪器天线(8)和无源变频装置(9)，副台仪器天线接收来自主台仪器的信号并发射无源变频装置产生的变频信号；其中，无源变频装置包括输入匹配网络、输出匹配网络、含异质结的晶体管和谐振网络，所述输入匹配网络的输出端与含异质结的晶体管漏极相连，输出匹配网络的输入端与含异质结的晶体管源极相连，含异质结的晶体管栅极通过谐振网络接地，无源变频装置馈入来自主台仪器天线发出的微波信号。

2.根据权利要求1所述的基于无源变频的微波测距系统，其特征在于，所述无源变频装置输出信号的频率，根据副台仪器天线接收到的来自主台仪器的微波功率确定。

3.根据权利要求1所述的基于无源变频的微波测距系统，其特征在于，所述含异质结的晶体管为异质结双极型晶体管或者场效应管。

4.根据权利要求3所述的基于无源变频的微波测距系统，其特征在于，所述场效应管为金属-氧化物半导体场效应晶体管或者高电子迁移率晶体管。