毫米波零中頻全功率輻射計(jì)系統(tǒng)

黃 建

(中國西南電子技術(shù)研究所, 成都610036)

1 引 言

毫米波輻射計(jì)在無源安全掃描、低能見度下導(dǎo)航、隱身目標(biāo)探測預(yù)警、靈巧彈藥制導(dǎo)[1-3]等軍民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,目前已經(jīng)研制了多種高靈敏度的輻射計(jì)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)輻射計(jì)設(shè)備小型化、提高系統(tǒng)溫度靈敏度抗干擾能力是主要的研究方向。

輻射計(jì)系統(tǒng)有全功率輻射計(jì)、Dick 輻射計(jì)和干涉式輻射計(jì)等幾種類型,其中,全功率輻射計(jì)理論上具有最高的靈敏度,應(yīng)用也最為廣泛。全功率輻射計(jì)主要采用高放檢波式接收機(jī)和外差式接收機(jī)。高放檢波式接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,在微波頻段較為常用。外差式接收機(jī)選擇性好,抗干擾能力強(qiáng),性能穩(wěn)定,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。毫米波以上頻段高增益低噪聲放大器增益穩(wěn)定性較差,價(jià)格昂貴,導(dǎo)致高放檢波式輻射計(jì)溫度靈敏度惡化,接收機(jī)成本較高[4],因此外差式接收機(jī)更具優(yōu)勢。在亞毫米波頻段尚沒有可用的低噪聲放大器,只能采用直接混頻外差式接收[5]。

外差式接收機(jī)需要本振信號,而且接收通道需鏡頻抑制濾波器,為了實(shí)現(xiàn)較大的中頻帶寬,需采用較高中頻,中頻通道需要帶通濾波器[6]。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難于實(shí)現(xiàn)集成化和小型化,其應(yīng)用受到限制,特別是在小型化、多通道輻射計(jì)系統(tǒng)中,這些系統(tǒng)目前仍主要采用高放檢波式接收機(jī)。

本文研究了一種毫米波零中頻多通道全功率輻射計(jì)系統(tǒng),提出零中頻外差式全功率輻射計(jì)接收機(jī)方案,通過在中頻通道引入高通濾波器抑制直流漂移和低頻干擾,避免了采用鏡頻濾波器和中頻帶通濾波器,降低了外差式輻射計(jì)系統(tǒng)的復(fù)雜度,結(jié)合本振信號空饋技術(shù),實(shí)現(xiàn)了多通道外差式輻射計(jì)集成化,同時(shí)保持了優(yōu)良的系統(tǒng)性能。分析了零中頻全功率輻射計(jì)溫度靈敏度,提出了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,并完成了毫米波頻段集成化、小型化多通道零中頻全功率輻射計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制和測試。

2 零中頻全功率輻射計(jì)系統(tǒng)組成和工作原理

零中頻全功率輻射計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 零中頻全功率輻射計(jì)系統(tǒng)框圖Fig.1 Schematic of zero-IF total power radiometer system

其工作原理是:外部黑體輻射的電磁信號被毫米波天線接收后,經(jīng)過低噪聲放大進(jìn)行雙邊帶下混頻,或不經(jīng)過放大直接下變頻?；祛l器的本振頻率處于接收頻段中心。中頻通道經(jīng)過濾波放大至平方律檢波電平范圍,進(jìn)行平方律檢波,然后經(jīng)視頻濾波、放大后,在視頻信號處理終端中獲取天線在接收頻段的亮溫信息。

與一般單邊帶外差式輻射計(jì)相比,零中頻全功率輻射計(jì)采用了雙邊帶外差接收機(jī),避免采用鏡頻抑制濾波器濾除鏡頻分量,從而簡化了系統(tǒng),降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度和成本,同時(shí)也增加了通過改變本振頻率選擇接收頻帶的靈活性。采用零中頻結(jié)構(gòu),在相同的中頻帶寬下,可以實(shí)現(xiàn)2 倍于傳統(tǒng)外差式接收機(jī)的射頻接收帶寬,可實(shí)現(xiàn)更高的輻射計(jì)溫度靈敏度。此外,由于消除了高選擇性的鏡頻抑制濾波器和中頻濾波器,整個(gè)信道易于集成化,有利于系統(tǒng)的輕小型化。

但是零中頻接收對輻射計(jì)系統(tǒng)而言存在中頻直流漂移和低頻干擾嚴(yán)重等問題。中頻直流漂移會(huì)導(dǎo)致中頻增益和視頻檢波信號漂移,使得輻射計(jì)增益穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響,嚴(yán)重惡化輻射計(jì)探測的準(zhǔn)確度。而接收通道放大器1/f 噪聲和電源低頻干擾信號的影響,將會(huì)導(dǎo)致中頻噪聲增大,導(dǎo)致輻射計(jì)靈敏度惡化。為此,在中頻通道引入高通濾波器,以抑制中頻信號零頻附近信號分量。但這導(dǎo)致輻射計(jì)接收的射頻信號將不再是頻域上連續(xù)的噪聲信號。因此,其溫度靈敏度不能直接采用傳統(tǒng)全功率輻射計(jì)靈敏度公式計(jì)算,需對這種零中頻輻射計(jì)溫度靈敏度進(jìn)行分析,并提出中頻高通濾波器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,以在更好地抑制低頻噪聲和干擾的同時(shí)不降低系統(tǒng)溫度靈敏度。

下面我們從全功率輻射計(jì)信號分析出發(fā),來分析零中頻接收全功率輻射計(jì)的溫度靈敏度。

3 零中頻接收全功率輻射計(jì)靈敏度分析

全功率輻射計(jì)的信號流圖如圖2 所示。其中,w(t)是外部黑體輻射信號(近似為白噪聲),wi(t)是接收機(jī)內(nèi)部噪聲折算到輸入端的等效輸入白噪聲信號,H(ω)、Hv(ω)分別是中頻通道傳輸函數(shù)和視頻通道傳輸函數(shù),符號(·)2代表平方律檢波器對輸入信號的變換, γ是平方律檢波器電壓靈敏度。

下面計(jì)算信號 y1(t)功率譜密度Sy1(ω)。y1(t)是平穩(wěn)隨機(jī)過程, 根據(jù)維納-辛欽定理,Sy1(ω)是y1(t)自相關(guān)函數(shù)Ry1(τ)的傅里葉變換。Ry1(τ)表示為

式中,符號<·>表示求數(shù)學(xué)期望。設(shè)中頻通道的沖激響應(yīng)為h(t),傳輸函數(shù)

則x1(t)可以表示為

式中, ＊代表卷積運(yùn)算。代入式(1),得到

其中, x(t)=w(t)+wi(t)是高斯白噪聲信號,其譜密度為N0=KB(TA+TN), TA、TN分別是天線噪聲溫度和接收機(jī)噪聲溫度,KB是波耳茲曼常數(shù)。自相關(guān)函數(shù)Rx(τ)為

將式(4)代入式(3),根據(jù)公式

對式(3)化簡得到

對式(5)作傅里葉變換,并利用Pasval 定理,得到

式中, ω=2πf,第一項(xiàng)代表y1(t)中的直流功率分量,第二項(xiàng)代表交流噪聲功率分量, ＊號代表卷積運(yùn)算。最后得到,視頻輸出電壓的直流分量為

輸出噪聲電壓均方根值為

式中, f 是頻率, ω=2πf 是角頻率。當(dāng)天線噪聲溫度變化ΔT 導(dǎo)致Dy變化量與σy相等時(shí),對應(yīng)的ΔT即為輻射計(jì)溫度靈敏度:

對于全功率輻射計(jì),BvB ,經(jīng)簡單推導(dǎo)可得

將式(10)代入式(9),并令

分別表示射頻和視頻噪聲帶寬[7],則得

對單邊帶外差式接收輻射計(jì),中頻帶寬與射頻帶寬相同。為簡化分析,假設(shè)外差式輻射計(jì)中頻濾波器具有理想的帶通特性,即

其中,f i、B 、H0分別是中頻中心頻率、帶寬和增益。

根據(jù)式(8), 全功率輻射計(jì)視頻噪聲功率譜Sy1-ac(ω)如圖3 所示,圖中還畫出了視頻帶通帶 f ≤Bv。

圖3 全功率輻射計(jì)視頻噪聲功率譜Fig.3 The power spectrum of video signal of total power radiometer

圖3 中,視頻噪聲功率譜包括3 部分,每部分均呈等腰三角形分布,中心頻率分別位于0 和±2 fi,譜寬均為2B , ±2f i頻率上譜密度只有零頻處的1/2。

對于零中頻全功率輻射計(jì),其射頻上下兩個(gè)邊帶分別變換為不相關(guān)的兩個(gè)中頻信號分量,每個(gè)中頻分量功率譜均如圖4 所示。

圖4 零中頻全功率輻射計(jì)中頻功率譜Fig.4 The power spectrum of IF signal of Zero-IF total power radiometer

圖4 中,為了抑制零頻漂移和低頻噪聲,用截止頻率fL的高通濾波器濾除了 f ≤fL的低頻信號分量。因此,零中頻接收機(jī)的任意一個(gè)中頻分量,其頻譜與中頻為f i、帶寬為B =2(fi -fL)的單邊帶外差式接收輻射計(jì)中頻頻譜相同。但由于中頻fi降低,其視頻噪聲功率譜左右兩個(gè)噪聲譜邊帶向零頻移動(dòng),并與中心為零頻的噪聲功率譜重疊,如圖3 中虛線所示。

當(dāng)fL=Bv/2 時(shí),視頻噪聲譜邊帶的邊沿到達(dá)視頻通帶邊沿。進(jìn)一步降低fL,視頻噪聲邊帶噪聲功率進(jìn)入視頻通帶,使得視頻噪聲增加,從而導(dǎo)致輻射計(jì)溫度靈敏度降低。因此,中頻高通濾波器的截止頻率最小值高于Bv/2 就不會(huì)影響輻射計(jì)溫度靈敏度。在此情況下,考慮零中頻全功率輻射計(jì)接收帶寬為B 的兩個(gè)射頻邊帶,根據(jù)式(7)、(8),其視頻直流分量Dy0和噪聲電壓均方根值σy0分別為

因此,當(dāng)輻射計(jì)天線溫度變化同樣數(shù)值時(shí),零中頻輻射計(jì)輸出視頻直流電壓較帶寬為B 的全功率輻射計(jì)增大2 倍,而視頻噪聲均方根只增大2倍,其溫度靈敏度為

比較式(12)、(15)可見,當(dāng)fL≥Bv/2 時(shí),零中頻全功率輻射計(jì)與射頻帶寬為2B 的全功率輻射計(jì)靈敏度相同。

以上推導(dǎo)過程假設(shè)中頻通道和視頻濾波器分別具有理想的高通、低通截止特性,考慮到實(shí)際濾波器非理想性,為了避免視頻噪聲增加,零中頻輻射計(jì)的中頻低端截止頻率應(yīng)該按如下原則選擇:

式中, fL10dB、Bv10dB分別是中頻高通濾波器和視頻積分濾波器的-10 dB截止頻率。

4 零中頻接收全功率輻射計(jì)系統(tǒng)研制

設(shè)計(jì)了一個(gè)Ka 頻段10 通道輻射計(jì)系統(tǒng),為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成化,采用了零中頻外差接收設(shè)計(jì)。系統(tǒng)原理框圖如圖5 所示。

圖5 Ka 頻段多通道輻射計(jì)系統(tǒng)原理框圖Fig.5 System schematic of Ka-band multi-channel radiometer

多波束天線為卡塞格倫拋物面天線,采用多個(gè)饋源在焦平面偏焦排列形成同時(shí)多波束,對應(yīng)于每一饋源都有獨(dú)立的毫米波接收通道。

多通道零中頻接收前端各通道主要由低噪聲放大器(LNA)和混頻器組成。毫米波本振信號由微波穩(wěn)頻振蕩器和倍頻器產(chǎn)生,其頻率為接收頻帶中心頻率37 GHz,并通過寄生在副反射面上的天線輻射實(shí)現(xiàn)空間功率分配。本振信號與來自空間的毫米波輻射同時(shí)被各焦平面饋源接收,通過低噪聲放大器后進(jìn)行混頻。

中頻通道集成了中頻高通濾波器,其截止頻率為1 MHz,能夠很好地抑制接收機(jī)中頻直流漂移、低頻噪聲和干擾信號。輻射計(jì)視頻積分濾波器3 dB帶寬約0.5 kHz,遠(yuǎn)低于中頻高通濾波器截止頻率,保證了兩個(gè)視頻噪聲邊帶不進(jìn)入視頻積分濾波器通帶造成溫度靈敏度惡化。利用中頻放大器自身在高頻端約6 dB/倍頻程的增益滾降特性,實(shí)現(xiàn)了3 GHz中頻帶寬,可忽略中頻高通濾波器對中頻帶寬的影響,因此系統(tǒng)溫度靈敏度與6 GHz帶寬的全功率輻射計(jì)相同。

輻射計(jì)系統(tǒng)工作頻率34 ～40 GHz。接收機(jī)前端噪聲系數(shù)為3.5 dB, 增益(計(jì)及混頻器損耗)為20 dB,計(jì)算得到系統(tǒng)噪聲溫度為701.1 K,瞬時(shí)接收帶寬6 GHz。視頻濾波器帶寬為1 kHz,對應(yīng)積分時(shí)間為0.5 ms,溫度靈敏度理論值為0.40 K。在數(shù)字處理終端中進(jìn)行進(jìn)一步視頻信號數(shù)字積累,最終積分時(shí)間為4 ms。經(jīng)過數(shù)字積累,溫度靈敏度理論值為ΔT=0.143 K。

已完成輻射計(jì)系統(tǒng)研制并進(jìn)行了毫米波無源成像試驗(yàn)。實(shí)測視頻電壓的直流分量V0和噪聲均方根值σv分別為5.6 V和3.3 mV,從而得到0.5 ms積分時(shí)間時(shí)輻射計(jì)溫度靈敏度近似為該值與理論預(yù)計(jì)吻合良好。

帶數(shù)字處理終端后實(shí)測系統(tǒng)溫度靈敏度為0.18 K,該值偏離理論值25%,分析發(fā)現(xiàn)這是由于在4 ms的較長視頻積分時(shí)間下,毫米波放大器1/f 增益起伏影響增大引起的[8]。

通過采用零中頻接收技術(shù)和本振信號空饋功率分配,實(shí)現(xiàn)了毫米波多通道外差式輻射計(jì)接收機(jī)一體化集成。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高度集成化和輕小型化,同時(shí)達(dá)到了理想的溫度靈敏度。圖6 是毫米波多通道輻射計(jì)系統(tǒng)設(shè)備和集成接收前端實(shí)物照片。該系統(tǒng)已經(jīng)完成無源毫米波成像試驗(yàn),系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,抗干擾能力和溫度靈敏度均優(yōu)于高放檢波式輻射計(jì)系統(tǒng)。

圖6 Ka 頻段10 通道輻射計(jì)系統(tǒng)和集成接收前端Fig.6 Photos of the Ka-band 10-channel radiometer system and its receiver front-end

5 結(jié) 論

本文提出一種零中頻接收的毫米波全功率輻射計(jì)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的高放檢波式和外差式接收方案相比,采用零中頻接收系統(tǒng)穩(wěn)定性和溫度靈敏度更高,并消除了一般外差式接收通道高選擇性的鏡頻濾波器和中頻濾波器的使用,大大降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度和成本,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集成化和輕小型化。

對零中頻全功率輻射計(jì)的溫度靈敏度進(jìn)行了理論分析,結(jié)果表明,在滿足截止頻率高于1/2 視頻積分濾波器帶寬條件下,零中頻輻射計(jì)可采用中頻高通濾波器抑制中頻直流漂移、低頻噪聲和干擾信號,而不會(huì)影響輻射計(jì)溫度靈敏度,其理論值與射頻帶寬2 倍于中頻帶寬的全功率輻射計(jì)相同。因此,同樣中頻帶寬下,零中頻接收可實(shí)現(xiàn)2 倍于一般單邊帶外差接收的射頻帶寬,從而具有更高的輻射計(jì)溫度靈敏度。

完成了一個(gè)毫米波多通道零中頻全功率輻射計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和測試,結(jié)果表明在0.5 ms 積分時(shí)間(1 kHz視頻帶寬)下,其溫度靈敏度與理論值相符;在4 ms積分時(shí)間(250 Hz視頻帶寬)時(shí),毫米波接收信道較大的1/f 增益起伏使輻射計(jì)溫度靈敏度發(fā)生明顯惡化,比理論值增大25%,但仍與理論值基本相當(dāng)。該結(jié)果證明了對零中頻全功率輻射計(jì)溫度靈敏度理論分析的正確性。樣機(jī)研制表明,本文提出的零中頻全功率輻射計(jì)具有易于集成化和高靈敏度的優(yōu)點(diǎn),在毫米波頻段多通道小型化全功率輻射計(jì)系統(tǒng)研制中具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

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