毫米波FMCW雷达反射功率对消系统关键技术研究

摘要

毫米波调频连续波(FMCW)雷达具有发射功率低、体积小、距离分辨率高、抗干扰能力强、截获率低等优势，因此被广泛应用于目标探测、测速、测距等领域。对于单天线FMCW雷达，由于环行器收发隔离度不足及天线输入端反射而导致的信号泄漏问题在很多场合将严重影响雷达功能的正常发挥。采用反射功率对消器(RPC)和环行器相结合的方法，可以有效提高单天线FMCW雷达的收发隔离度。本文针对Ka频段毫米波反射功率对消系统的关键技术进行了深入研究，对影响对消效果的主要因素进行了详细分析，研制了Ka波段正交基波混频器、矢量调制器以及延迟线、对消与检测模块等构成对消系统的关键电路模块，并分别进行了调试与测试。在此基础上，将各个功能模块集成起来研制完成了一套反射功率对消系统原理样机。本文的主要研究进展包括以下四个方面:
　　1、根据对消系统总体指标要求，采用Schottky二极管和单平衡混频器混合集成电路形式，研制了Ka波段低变频损耗VQ基波混频器。首先利用HFSS软件对分支线正交耦合器、Wilkinson功分器以及3dB混合环等构成I/Q混频器的无源电路进行了全波仿真分析与优化设计，提取了各个电路的S参数。接着利用ADS软件建立I/Q混频器的整体仿真分析模型，重点优化了二极管输入输出端匹配电路参数。根据仿真结果进行了微带电路及腔体结构件的实物加工，并完成了电路的组装与优化调试，最终硬件实物性能测试结果为:在34～37GHz频率范围内，I/Q两路中频输出信号的变频损耗典型值11dB，且一致性良好，在100MHz处的两路中频信号的相位差为95°左右。
　　2、矢量调制器是RPC系统中用来产生对消信号的核心部件，本文采用混合集成电路形式研制了Ka波段对称式双相调制器及平衡式矢量调制器。在双相调制器设计中，使用冷状态PHEMT管的漏源阻抗作为正交耦合器的可变负载电阻，通过调节其栅压实现传输信号的幅度调节和相位转换功能。采用推挽式对称结构，有效消除高频时PHEMT管寄生参数所引起的幅度误差和相位误差。利用HFSS软件对推挽式双相调制器、宽带耦合器和同相功率合成器进行仿真分析与优化设计，使用运算放大器OP37设计平衡式矢量调制器的互补电压控制电路。完成了Ka波段矢量调制器模块的硬件研制，并对其各项性能指标进行了考察。实测结果表明:在33～36GHz频率范围内，该矢量调制器的最小插入损耗约为7dB，具有10dB～42dB的全相可调范围，输入回波损耗大于15dB。
　　3、建立了模拟式闭环对消系统的数学模型，分析了环路相位及各路径延时与系统对消性能之间的关系。利用HFSS软件仿真设计了对消系统中的耦合延迟模块和对消与检测模块，保证本振支路与馈通支路的延时相同。采用一阶环路滤波器和运算放大器OP37设计了控制环路，合理分配环路增益，保证对消系统稳定工作。在此基础上，完成了各个模块的加工、调试与测试工作。
　　4、考虑对消系统的紧凑性、可靠性和实用性，合理设计了系统中各个模块的布局与连接方案，将研制完成的耦合延迟模块、矢量调制器、I/Q基波混频器、控制环路和对消与检测模块以及相关的电源模块装配集成起来，构成了Ka波段反射功率对消器原理样机硬件系统。通过调节本振支路的相位和控制环路的增益对该系统的对消性能进行调试优化，最终实测结果为:在33.5～35.8GHz频率范围内对消比大于20dB，在35GHz单频点处对消比达到32dB，实现了良好的对消效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文安排

第二章 毫米波FMCW雷达概述及其关键技术

2．1 毫米波FMCW雷达基本特点

2．2 单天线FMCW雷达存在的问题

2．3 反射功率对消器(RPC)原理

2．3．1 RPC的基本思想

2．3．2 RPC性能的评价——对消比

2．3．3 RPC关键技术

2．4 本章小结

第三章 Ka波段正交基波混频器的仿真设计与实验研究

3．1 正交基波混频器实现方案

3．2 正交基波混频器仿真设计

3．3 正交基波混频器实验研究

3．4 本章小结

第四章 Ka波段矢量调制器的仿真设计与实验研究

4．1 矢量调制器分类及原理分析

4．2 Ka波段矢量调制器仿真设计

4．2．1 正交耦合器设计

4．2．2 同相功率合成器设计

4．2．3 矢量调制器整体仿真设计

4．2．4 矢量调制器电源板设计

4．3 矢量调制器实验研究

4．4 本章小结

第五章 Ka波段反射功率对消系统研究

5．1 模拟闭环对消系统分析

5．1．1 对消条件分析

5．1．2 系统延时分析

5．2 对消系统单元模块设计

5．2．1 耦合器设计

5．2．2 控制环路设计

5．3 Ka波段对消系统实验研究

5．3．1 对消系统单元模块测试

5．3．2 Ka波段对消系统整体实验研究

5．4 本章小结

第六章 结束语

6．1 论文工作总结

6．2 工作中的不足与展望

致谢

参考文献