基于步進(jìn)頻連續(xù)波雷達(dá)的射頻對(duì)消?

(電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,四川成都611731)

0 引言

連續(xù)波雷達(dá)與脈沖雷達(dá)相比具有更低的發(fā)射功率、更高的分辨率,以及更低的峰值功率,這就會(huì)使連續(xù)波雷達(dá)更加難以被探測(cè)到[1-2]。

但是SFCW雷達(dá)有一個(gè)最大的缺點(diǎn)就是收發(fā)之間的隔離度不夠[3],造成接收機(jī)的噪聲惡化,有可能會(huì)淹沒(méi)小的目標(biāo)回波信號(hào),還會(huì)降低接收機(jī)的靈敏度,甚至可能會(huì)使低噪放飽和以及燒毀。射頻對(duì)消技術(shù)是解決這個(gè)問(wèn)題的一種有效方法[4]。射頻對(duì)消包括數(shù)字對(duì)消技術(shù)和模擬對(duì)消技術(shù)。數(shù)字對(duì)消技術(shù)主要由AD,DA,DSP等數(shù)字器件構(gòu)成,所以相較于模擬對(duì)消技術(shù)來(lái)說(shuō)數(shù)字對(duì)消技術(shù)的設(shè)備更加復(fù)雜,響應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng),使整個(gè)對(duì)消系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間增加[5],可能會(huì)使對(duì)消系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作。所以,本文中介紹的是模擬對(duì)消技術(shù),整個(gè)對(duì)消系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,響應(yīng)速度較快[6-7]。

1 系統(tǒng)模型

圖1給出了整個(gè)射頻對(duì)消系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖,在接收端,接收到的信號(hào)中既有遠(yuǎn)處目標(biāo)的有用回波信號(hào),也有從發(fā)射天線直接耦合過(guò)來(lái)的信號(hào)[8]。射頻對(duì)消系統(tǒng)通過(guò)矢量調(diào)制器產(chǎn)生一個(gè)與直耦信號(hào)等幅反相的對(duì)消信號(hào)。

圖1 對(duì)消系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

信號(hào)源發(fā)射出來(lái)的信號(hào)[9]可以表示為

式中,f i為第i(0≤i≤N-1)個(gè)點(diǎn)的頻率,u(t)為這個(gè)信號(hào)的包絡(luò)[10],可以表示為

式中,Tr為一個(gè)頻點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間,通過(guò)計(jì)算可以得到直耦信號(hào):

式中,G1為從頻率源到接收機(jī)的傳輸系數(shù),l1為從頻率源到發(fā)射天線間的距離,l2為發(fā)射天線到接收天線間的距離,v為電磁波在微帶線中的傳輸速度,c為電磁波在空氣中傳播的速度?；祛l器的射頻信號(hào)可以表示為

式中,G2為接收天線到混頻器的傳輸系數(shù),l3為合路器與混頻器之間的長(zhǎng)度?；祛l器的本振信號(hào)可以表示為

式中,G3為頻率源到混頻器的傳輸系數(shù),l4為頻率源到混頻之間的長(zhǎng)度。射頻信號(hào)與本振信號(hào)在混頻器經(jīng)過(guò)混頻,得到正交的I,Q信號(hào):

式中,L為混頻器的變頻損耗。有了I,Q信號(hào)就可以得到矢量調(diào)制器的I,Q控制信號(hào):

式中,G4為低頻控制電路的傳輸系數(shù)。

矢量調(diào)制器的射頻輸入信號(hào)可以表示為

式中,G5為從頻率源到矢量調(diào)制器的傳輸系數(shù)。矢量調(diào)制器輸入的射頻信號(hào),I,Q信號(hào)的控制下進(jìn)行調(diào)制生成的對(duì)消信號(hào)可以表示為

式中,K=M·Sci(t),K′=M·Scq(t),M為矢量調(diào)制器的調(diào)制系數(shù),要取得完美對(duì)消,就要對(duì)消信號(hào)SMOUT(t)與直耦信號(hào)SD(t)幅度相等,相位相反。對(duì)比SD(t)與SMOUT(t)可以得到一個(gè)充分條件為

式(13)表示信號(hào)從頻率源經(jīng)過(guò)矢量調(diào)制器到合路器的傳輸系數(shù)要等于信號(hào)從頻率源經(jīng)過(guò)發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的傳輸系數(shù),并且還需要有反相。

式(14)表示對(duì)消信號(hào)經(jīng)過(guò)的電長(zhǎng)度要等于直接耦合信號(hào)經(jīng)過(guò)的電長(zhǎng)度。

式(15)表示混頻器的本振信號(hào)LO和射頻信號(hào)RF的電長(zhǎng)度也要相等。

式(13)～(15)是設(shè)計(jì)整個(gè)射頻對(duì)消系統(tǒng)的重要依據(jù)。

2 系統(tǒng)性能分析

定義對(duì)消比為

式中,Pl為直接耦合信號(hào)的功率,Pe為對(duì)消后剩余信號(hào)的功率。

根據(jù)前面的分析,要達(dá)到對(duì)消效果,對(duì)消信號(hào)與直耦信號(hào)必須等幅反相。在復(fù)平面內(nèi),假設(shè)為直耦信號(hào)為生成的對(duì)消信號(hào)為對(duì)消后的剩余信號(hào),Δφ為相位誤差,圖2展現(xiàn)了對(duì)消的基本原理。

圖2 對(duì)消的原理

根據(jù)式(16),D可以表示為

幅度誤差可以表示為

將式(19)代入式(18)得

上式表明了對(duì)消比與幅度誤差和相位誤差的關(guān)系,用Matlab軟件繪制成三維圖,如圖3所示。

圖3 對(duì)消比的三維圖

從圖中可以看出,要想達(dá)到一個(gè)良好的對(duì)消比,對(duì)幅度誤差和相位誤差要求比較苛刻,要想達(dá)到30 dB的對(duì)消比,就要求相位誤差在1°以內(nèi),幅度誤差小于0.25 dB。

3 測(cè)試結(jié)果

從系統(tǒng)框圖可知整個(gè)系統(tǒng)可以分為3個(gè)模塊:發(fā)射模塊、接收模塊和對(duì)消模塊。其中最重要的就是對(duì)消模塊,對(duì)消模塊主要由低頻控制電路和以矢量調(diào)制器為核心的射頻模塊。低頻控制電路包括放大、濾波、積分電路。找到一個(gè)合適的放大倍數(shù)才能較好地還原出直耦信號(hào),達(dá)到良好的對(duì)消比。為了防止對(duì)消掉有用的回波信號(hào),濾波電路是必不可少的,由于回波信號(hào)經(jīng)過(guò)正交混頻器混頻下來(lái)的中頻信號(hào)的頻率跟目標(biāo)到天線的距離和掃頻頻率有關(guān),距離越遠(yuǎn),混頻下來(lái)的中頻信號(hào)頻率越高,如圖4所示,所以設(shè)置一個(gè)適當(dāng)?shù)慕刂诡l率是整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。積分電路的作用是為了能夠持續(xù)給矢量調(diào)制器提供I,Q控制信號(hào),避免當(dāng)直耦信號(hào)被對(duì)消掉后矢量調(diào)制器沒(méi)有控制信號(hào)從而造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

圖4 不同距離下的I,Q信號(hào)

整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)試,分別測(cè)試了點(diǎn)頻和掃頻模式下的對(duì)消,得到了一個(gè)比較好的結(jié)果,如圖5～7所示。

從圖5～7可以看出,在點(diǎn)頻模式下測(cè)試了2 GHz和2.1 GHz的對(duì)消,在兩個(gè)頻點(diǎn)處對(duì)消比都達(dá)到了40 dB以上,而在掃頻模式下,從1.7 GHz到2.2 GHz的500 MHz帶寬內(nèi)對(duì)消比在30 d B左右,整個(gè)對(duì)消系統(tǒng)工作良好。進(jìn)一步測(cè)試1.7～2.2 GHz的相位和幅度誤差,如表1所示。

圖5 點(diǎn)頻測(cè)試

圖6 對(duì)消前頻譜圖

圖7 對(duì)消后頻譜圖

表1 各頻率點(diǎn)的幅度及相位誤差

從上表可以看出,在1.7～2.2 GHz的幾個(gè)頻率點(diǎn)上相位誤差都在1°以內(nèi),幅度誤差都小于0.25 d B,與理論分析相吻合,要想進(jìn)一步提高對(duì)消比,可以加入自適應(yīng)算法,尋找最優(yōu)值,以進(jìn)一步縮小相位及幅度誤差來(lái)提高對(duì)消比,這是對(duì)消研究的下一步需要進(jìn)行的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了對(duì)消的基本原理,分析了相位誤差和幅度誤差對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響,并設(shè)計(jì)了基于步進(jìn)頻連續(xù)波雷達(dá)的模擬對(duì)消系統(tǒng),對(duì)消系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快,遠(yuǎn)小于跳頻時(shí)間100μs,整個(gè)系統(tǒng)能穩(wěn)定地工作,并得到了較好的對(duì)消比。點(diǎn)頻的對(duì)消比能達(dá)到40 dB以上,掃頻時(shí),在500 MHz的帶寬內(nèi),對(duì)消比能達(dá)到30 d B。

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