基于LTCC技術的3mm/8mm波段被動探測器研究

李有池 楊寶平 房建峰 朱鳳仁 朱震星

(中國兵器工業(yè)第214研究所 蘇州 215163)

基于LTCC技術的3mm/8mm波段被動探測器研究

李有池 楊寶平 房建峰 朱鳳仁 朱震星

(中國兵器工業(yè)第214研究所 蘇州 215163)

對毫米波被動探測與其他探測體制的性能進行了對比分析，介紹了毫米波被動探測的基本理論，提出了3mm與8mm波段水面金屬目標的輻射特性檢測方法。設計了用于探測海面金屬目標的直接檢波式毫米波輻射探測系統(tǒng)，對輻射探測系統(tǒng)的射頻前端、天線、信號處理等各個部件展開詳細的計算和討論，構建了一套完整的體積小、重量輕、功耗低，可滿足實際探測要求的直接檢波式輻射計系統(tǒng)。

毫米波輻射計；直接檢波；目標探測；天線

0 引言

對海上艦船目標的自主識別是提高海上可靠捕獲、精確跟蹤和打擊的重要基礎或前提，這項技術的研究和運用被認為是提高海軍各類新式武器作戰(zhàn)能力的重要措施。而現(xiàn)代海戰(zhàn)戰(zhàn)場電磁環(huán)境日趨惡劣，又使得反艦武器作戰(zhàn)效能的發(fā)揮受到了極大的制約，如何提高反艦武器適應復雜戰(zhàn)場環(huán)境的能力已成為國內外該領域研究的熱點之一。目前，目標識別技術使用較多的幾種主要探測體制有：無線電探測、紅外探測、激光探測、主動毫米波探測以及被動毫米波探測。然而，每種探測體制都有其優(yōu)缺點和最佳使用場合，從導引頭制導技術考慮，為適應精確探測及精確識別目標中心的要求，復合探測技術已成為精確探測的一個重要措施。從探測系統(tǒng)考慮，綜合利用導引頭提供的信息，實現(xiàn)引信自適應起爆控制是提高引戰(zhàn)配合效率的最佳途徑之一。因此，開展包含被動毫米波探測技術的制導引信一體化技術研究，采取一系列措施以提高引信與戰(zhàn)斗部的配合效率，對于提高反艦武器作戰(zhàn)效能具有重要意義。

與其他光電探測(紅外、激光、電視探測等)方式相比，毫米波被動探測器具有較突出的特點，毫米波被動探測器又稱毫米波輻射計，它自身不發(fā)射毫米波，只是接收目標輻射或散射的毫米波，是一種毫米波輻射信號的高靈敏度接收機。它通過探測目標的毫米波輻射特性,利用目標與背景的毫米波輻射特性差異進行目標的探測、識別和制導。毫米波被動探測器具有靈敏度高、工作頻帶寬，抗干擾性強的優(yōu)點，由于本身不輻射能量，敵方雷達無法捕捉到信號，因此適用于抗應答式、誘餌式等有源干擾。同時，被動探測幾乎不受角反射器和散射網(wǎng)等無源干擾影響。在軍事應用中具有良好的隱蔽性和防止反輻射導彈襲擊的能力。在近距離探測處于不同背景環(huán)境下(如海天、草地、土地、密植被等)的大型金屬目標，特別是驅逐艦、航空母艦、坦克、裝甲車輛、戰(zhàn)場指揮車等目標方面，毫米波被動探測器具有其他探測體制不可比擬的優(yōu)點。實踐表明，被動毫米波末制導及成像系統(tǒng)能在晴天、陰天、霧天和沙塵環(huán)境下有效偵察地面的軍事和非軍事目標。而且在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，軍事目標的雷達隱身技術正逐漸被廣泛采用，目前可以采用雷達隱身防護的目標不但包括飛機、軍艦、坦克，甚至包括火炮和營房等等。而利用毫米波輻計進行反隱身是一重有效手段，具有重要的應用前景。

LTCC(低溫共燒陶瓷)是一種多層陶瓷技術，它可以將無源元件內埋在基板內部，同時將有源元件安裝在基板表面，在設計上具有很大的靈活性。由于LTCC優(yōu)良的材料特性以及其多層結構，可以方便地實現(xiàn)毫米波電路的三維布線，滿足毫米波電路的高度集成，并可以獲得不同信號之間的良好隔離，為立體毫米波系統(tǒng)的設計提供了一種可靠的互連載體，滿足了現(xiàn)代化武器裝備中電子系統(tǒng)日趨小型化的發(fā)展需求?；贚TCC技術的毫米波集成組件具有體積小、重量輕、功能多、性能優(yōu)、集成化、信息化、高可靠性等特點和優(yōu)勢，具有巨大的技術潛力和需求。

1 方案設計

1.1 總體原理方案

毫米波輻射計通?？煞譃槿β适胶偷峡耸絻纱箢?。對于積分時間較長的輻射計，如遙感、天文輻射計等，主要考慮克服系統(tǒng)增益起伏對靈敏度的影響，所以應采用迪克式輻射計；而對于積分時間短的彈載輻射計，可忽略系統(tǒng)增益起伏對靈敏度的影響，故采用全功率式輻射計，從而可以簡化探測系統(tǒng)的結構。在本方案中，是按末敏技術的作用方式來探測和識別目標，積分時間很短(ms級)，因而宜采用全功率式輻射計。

全功率式輻射計，根據(jù)信號處理方法，可分為直流輻射計和交流輻射計。直流輻射計可測量直流信號(不掃描目標)和交流信號(掃描目標)，經標定后可獲取目標輻射溫度和目標/背景輻射溫度對比度，但需要一個高穩(wěn)定高精度的直流參考電壓，且易受環(huán)境溫度變化等影響；交流輻射計僅適合于與目標快速交會或天線掃描目標場合，不能獲得目標的輻射溫度，只能獲得目標/背景輻射溫度對比度，但可克服溫度、氣候等環(huán)境因素變化引起的零點漂移對探測結果的影響。作為導彈末端探測裝置，毫米波探測器存在工作環(huán)境惡劣、氣候條件和背景比較復雜、無法預置和調整門限、啟動穩(wěn)定時間短等特點，因此本方案采用交流輻射計，從目標/背景輻射溫度對比度及波形變化中獲取有關目標信息。

抗干擾能力強本就是毫米波輻射計的優(yōu)點，為進一步提高其抗干擾能力，針對8mm波段可能存在壓制式干擾的情況，本方案增加一路3mm波段輻射計。8mm波段和3mm波段都處于大氣窗口，天空溫度較低，適用于毫米波輻射計。特別是針對3mm波段的干擾機目前還未見報道，因此采用8mm波段和3mm波段雙頻工作可有效提升系統(tǒng)的抗干擾能力。

由于單一天線很難實現(xiàn)有足夠寬度的扇形波束，因此采用雙天線的結構形式。輻射計采用兩個扇形波束，各自覆蓋約90°范圍，通過高速開關從一個波束轉向另一個波束，交替將接收到的信號輸送到放大器。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

輻射計體制可以用于攻擊大型或小型水面艦船的全天候導彈，而不受惡劣海面的雜波信號的影響。其工作示意圖如圖2所示。圖中所示為一個具有扇形波束天線所組成的被動式毫米波輻射計。工作時，接收機從天線波束內的海面和海上目標接收所有的黑體輻射能和反射天空的輻射信號，不管海面呈現(xiàn)的是細浪還是巨浪，基本為一穩(wěn)定信號。導彈往目標運動，當目標處于波束視界之內時，輸出信號將發(fā)生變化，并輸出一個脈沖信號，如該信號足夠強，則后級處理電路會發(fā)出目標識別信號，控制端根據(jù)識別信號做出相應指令。

1.2 工藝結構設計

毫米波輻射計的天線、接收前端、信號處理電路等適合采用LTCC基板進行集成。運用表面微帶線-層間帶狀線-表面微帶線的背靠背形式對毫米波層間互連；根據(jù)縫隙耦合和貼片天線輻射理論，設計開槽耦合型波導到微帶的過渡結構，對組成濾波器的電容、電感等無源元件實行內埋。必要時對毫米波輻射計集成組件模塊采用雙面開空腔的LTCC基板：正面空腔內貼裝厚度大元件，正面空腔外表面上混合組裝其它IC裸芯片和元器件；在基板背面中部制作出深大空腔，用于表面組裝不需氣密封裝保護的大尺寸微封元器件；在基板的側壁上及背面四周邊緣區(qū)上，制作出封裝適于表面組裝應用的膜層焊區(qū)引線端子。

金屬圍框與LTCC基板、金屬蓋板一體化焊封后形成的惰性氣氛氣密環(huán)境可以為裸芯片器件提供必要的保護，從而保障毫米波輻射計集成組件模塊的長期應用可靠性。

2 功能單元設計

2.1 波導縫隙扇形波束天線設計

本系統(tǒng)采用波導縫隙天線方案設計8mm、3mm毫米波天線。由于天線的波束成扇形，在一個面的波束寬度極窄而另一個面的波束寬度較寬的情況下，天線的口徑必然成窄條狀。波導縫隙天線的E面波束寬度大于90°，而H面的波束寬度可以通過安排多個縫隙的方式實現(xiàn)窄波束。

波導縫隙是一種在波導管上開有縫隙的天線，也稱為裂縫天線?？p隙天線具有體積小、重量輕、輻射效率高、口徑面幅度容易控制、易于實現(xiàn)低副瓣、其箱梁式的整體結構能夠滿足高可靠性工程要求等特點，在飛行器雷達領域的應用很廣泛。

圖3給出了單個諧振縫隙結構示意圖及其等效電路，其中負載阻抗ZL的計算是縫隙諧振長度計算的重要內容之一，傳統(tǒng)的Elliot設計理論采用感應電動勢法來計算。為了簡化了計算過程，這里給出了負載阻抗的近似計算公式。根據(jù)傳輸線理論有：

Z=Z0e-α-jβ

(1)

在縫隙與短路片之間可以近似認為是無耗的，當縫隙的中心偏移距離為0時，縫隙中心的等效負載阻抗為：

ZL=Z0e-j2β

(2)

當縫隙中心偏移距離為x時，其負載阻抗為：

(3)

采用上述方法對單個縫隙歸一化諧振長度與中心偏移距離的關系進行分析，并將分析結果與文獻測量結果進行比較，不考慮波導壁厚度情況下，理論計算值與實驗測量值基本吻合。

圖4 天線陣列仿真模型圖

由于天線需要工作在8mm波段和3mm波段，需選擇采用兩個不同的波導縫隙陣列實現(xiàn)。其優(yōu)點是兩個頻段的天線波束寬度相同，設計靈活度高。由于波導的寬度很窄，仍然保持了較小的天線體積。以8mm波段為例，用全波仿真軟件進行設計。至于3mm波段的天線，可以采用相同的方式很容易的實現(xiàn)。圖5為該天線的仿真模型，波導選取為6.12mm×3.7mm的波導，陣列類型為半波長均勻陣列，縫隙寬度取0.6mm，縫隙長度為2.7mm。圖6為天線陣列扇形方向圖，而圖7為該天線的仿真S11參數(shù)。

將設計好的天線按照一定角度進行放置安裝，如圖8所示。長的為8mm波段天線，兩條線陣之間有一約90°的夾角；短的為3mm波段天線，同樣放置。

2.2 毫米波前端設計技術

采用8mm、3mm交流式直接檢波接收機。包括低噪聲放大器、高速切換開關、檢波器及高精度放大器等關鍵部件的選型及電路設計。系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及小型化是毫米波輻射計的關鍵問題，毫米波直接檢波式輻射計直接在毫米波波段進行信號的放大和檢波，省去了混頻模塊，結構簡單，體積小性能好，在彈載等體積小、集成度高的應用中有很大的優(yōu)勢。與超外差式輻射計相比，毫米波直接檢波式輻射計主要優(yōu)點如下：

1)噪聲等效溫差(溫度靈敏度)高。由于毫米波低噪聲放大器相對于混頻中放模塊具有更小的噪聲系數(shù)和更大的帶寬，在相同的積分時間條件下直接檢波式輻射計具有更高的溫度靈敏度，作用距離更遠。

2)無逆向輻射噪聲問題。本振泄漏是造成逆向輻射的主要原因，直接檢波式輻射計無本振，基本無逆向輻射噪聲問題。

3)系統(tǒng)可靠性穩(wěn)定性好。直接檢波式輻射計無本振，避免了本振穩(wěn)定性問題，系統(tǒng)可靠性穩(wěn)定性好。

4)體積小，易共形。MMIC毫米波低噪聲放大器體積很小，可采用平面電路安裝，平面電路的毫米波檢波器體積也很小，因此直接檢波式輻射計集成度高，體積小，能與使用平臺共形。

2.2.1 毫米波低噪聲放大電路

系統(tǒng)所需毫米波放大器增益由毫米波檢波器檢波所需信號功率和系統(tǒng)輸入噪聲信號功率決定，可表示為

(4)

式中：

PRF——毫米波檢波器輸入功率(即檢波器工作點)，PRF=-30dBm；

K——玻耳茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23J/K；

T0——常溫，T0=290K；

B——系統(tǒng)工作帶寬，B=4GHz；

Fm——系統(tǒng)噪聲系數(shù)，F(xiàn)m=13dB。

將上述值代入公式(4)得到所需放大器增益GRF=45dB，一般采用三級毫米波MMIC低噪聲放大器芯片級聯(lián)即可得到系統(tǒng)所需增益。

2.2.2 毫米波檢波電路

毫米波檢波電路利用半導體二極管的非線性特性產生的電壓，表征檢測到的毫米波功率大小。研制的毫米波檢波電路采用微帶電路制作，原理及電路如圖9所示。主要由輸入匹配電路、檢波二極管和低通濾波器組成，整個電路制作在一塊基板上，采用反向檢波設計，檢波二極管反接。原理圖中Lp為檢波器的低頻通路，檢波二極管選用低勢壘肖特基檢波二極管，這種檢波二極管工作時無需外加偏置電壓，靈敏度高，并且頻率響應快、動態(tài)范圍大、寬頻帶，得到廣泛應用。

2.3 放大電路

低頻放大器對檢波器輸出信號進行放大，其增益可根據(jù)接收機輸入噪聲溫度變化和總體要求系統(tǒng)輸出信號幅度變化范圍來確定。當天線接收到的毫米波噪聲溫度變化時，放大器輸出信號變化為

ΔV=CdkBGGLFΔTA′

(5)

考慮天線效率及輸入電路損耗引起的衰減，假設天線輸出噪聲溫度變化量ΔTA′=0～80K。若系統(tǒng)輸出信號變化幅度ΔV為0～5V，取檢波器電壓靈敏度Cd=500V/W，則由式(5)得系統(tǒng)所需的放大器增益為GLF=2.56×104。

在實際系統(tǒng)調試時，由于每個樣機的毫米波前端特性參數(shù)都有所不同，根據(jù)實際情況對放大器增益作適當調整，使得輸出信號幅度滿足總體要求。

積分器對信號中噪聲進行濾波抑制，這里采用RC濾波器作為積分器，并且集成在放大器電路中。

考慮系統(tǒng)其它損耗及各樣機系統(tǒng)增益不一致性等問題，采用3級運算放大器級聯(lián)以達到系統(tǒng)所需增益，電路結構如圖10所示。檢波器輸出信號經電容濾波后輸入到放大器，第一級和第二級運放放大一定倍數(shù)，第三級運放根據(jù)系統(tǒng)測試結果選擇合適放大倍數(shù)。積分器集成在第一級運放電路中，積分時間由R2、C2進行控制，由運放電路知識分析可知，積分時間為：

τ=2R2C2

(6)

若系統(tǒng)用于一維掃描探測，系統(tǒng)只需要探測物體毫米波輻射噪聲溫度的變化，則可根據(jù)需要在視頻放大器電路中串入電容進行隔直，使輻射計輸出表征探測到的毫米波噪聲溫度變化的交流信號。

2.4 毫米波段目標探測與識別

在毫米波波段，金屬目標的輻射率都小于0.01，可以認為金屬目標自身不輻射能量，僅反射天空及周圍背景的輻射。為此，建立如圖11所示數(shù)學模型，進行平面金屬目標的輻射特性建模。輻射計是水平掃描的，則輻射計掃描所得目標信號如圖12所示，是一個鐘形脈沖。根據(jù)不同目標及不同的交會方式，鐘形脈沖將有不同的幅度和寬度。對該脈沖進行信號處理，即可對目標進行識別。

毫米波探測器的信號處理系統(tǒng)擬以TMS320F2812為核心構建電路。TMS320F2812是美國TI公司推出的一款基于Flash的32位定點DSP，具有運算速度快、精度高、編程靈活、功耗低、外設資源豐富、集成度高、體積小、外圍電路簡單等特點，可以滿足海面、艦面自主識別探測器的信號處理系統(tǒng)高速小型化的需要。

3 參數(shù)設計

3.1 天線波束寬度、角分辨率和空間分辨率

天線波束寬度為：

(7)

其中：λ——工作波長；

D——天線口徑。

本項目中，天線波束為扇形，如圖6所示。假設中心頻率為35GHz，若天線長邊為300mm，則對應方向波束寬度約為2°；設短邊為一個單元，則對應方向波束寬度約為90°。中心頻率為94GHz時，天線長邊為112mm，則對應方向則對應方向波束寬度約為2°；設短邊為一個單元，則對應方向波束寬度約為90°。

3.2 敏感器積分時間

波束駐留時間τd為波束即將接觸目標的時刻到波束完全離開目標的時刻之差，如圖13所示。

(8)

其中，a為波束掃描方向目標寬度，d為波束在目標平面上的投影寬度，v是波束掃描線速度(即導彈在目標平面上的飛行速度)。

按照最差情況(即波束駐留時間最短)進行計算，設導彈沿海面飛行，速度為4馬赫(最快速度)，即V=1360m/s，導彈到目標的距離為100m，導彈高度為80m(最高情況)，則2°波束投影寬度約為6m。

假定艦面最小寬度為19m，根據(jù)式(8)，波束駐留時間為18ms。接收機(輻射計)積分時間：

τd≤0.5τd

(9)

因此積分時間可取9ms。

由于兩個波束之間需要切換，需要考慮兩個波束是平行放置還是前后放置。按照最差情況進行計算，設導彈沿海面飛行，速度為4馬赫(最快速度)，即V=1360m/s，若積分時間為9ms，則出現(xiàn)一個完整的鐘形脈沖約需27ms。此時按照最快飛行速度，導彈前行了接近37m，而艦面最小寬度為19m，若先掃描的波束沒有照到目標，則有可能漏掉目標。因此兩個波束平行放置不太可行，需一前一后放置，此時需要考慮兩個波束之間的夾角。

若選擇較短的積分時間，τ=3ms，則出現(xiàn)一個完整脈沖時導彈最多前行9m，不會漏掉目標。兩個波束可以平行放置，設計相對簡單。

3.3 敏感器靈敏度

接收機靈敏度為：

(10)

其中：TA——天線溫度；

Tm——接收機噪聲溫度；

Fm——接收機噪聲系數(shù)；

T0——環(huán)境溫度；

B—接收機帶寬。

利用公式(10)在T0=290K、B=3GHz、Frn=6dB下可得到不同積分時間下的靈敏度，如表1所示。

表1 不同積分時間下的靈敏度

積分時間靈敏度ΔTmin(K)τ=9ms0.22τ=3ms0.38

3.4 敏感器作用距離

距離公式

(11)

其中：η——天線效率；

AT——目標輻射面積；

ΔTT——目標背景輻射溫度差；

ΩA——天線波束所張的立體角。

且有 ：

ΔTT=(εb-εt)·(T0-TS)

(12)

其中：εb,εt——分別為背景發(fā)射率和目標發(fā)射率；

Ts——天空輻射溫度。

不同的交會情況，目標占據(jù)波束有效面積不同，假設最差的交會情況如圖14所示。此時，兩個波束都只有一部分照到目標，且此時目標最小(a=19m)。

根據(jù)敏感器在距離100m、高度80m處時目標處于波束中的面積約55m2，利用公式(11)、(12)可得，取η=0.6、SNR=10、ε水面=0.63、ε金屬=0、TS晴天=80K、TS陰天=107K時在不同積分時間、不同天氣條件下的系統(tǒng)作用距離，如表2所示。

表2 不同天氣條件下輻射計作用距離

海面金屬目標晴天陰天τ=9ms337.8m315.3mτ=3ms256.6m239.5m

通過以上的計算分析可知：在晴天、陰天等天氣條件下，系統(tǒng)能滿足在100m距離上識別海面上的艦船目標。

3.5 導彈及波束傾斜角度

導彈在末端按照一定彈道飛行，考慮到引信炸高為10～80m，導彈在距離100m處時，假設高度為20m時，若能照到目標，波束與海面夾角為11°；當高度為80m時，波束在距離100m處若能照到目標時，波束與海面夾角為39°。若波束與導彈軸線之間的夾角α為11°，則導彈飛行末端軸線與海面的夾角β的范圍是0°～28°，如圖15所示。

4 結束語

用于目標識別的毫米波被動探測體制在發(fā)達國家的軍事領域應用的技術基礎已經比較成熟，已經有不少型號裝備部隊，由于毫米波引信較微波具有更高的精度，更強的抗干擾能力以及比紅外、主動引信具有較好的全天候作戰(zhàn)性能，而得到了越來越多的應用，這些使用毫米波被動探測體制的武器系統(tǒng)均具有較高的命中率和打擊效果。近年來,毫米波固態(tài)器件及單片集成電路的突破性進展大大地推動了毫米波精確尋的武器系統(tǒng)的研究。

[1] 張光鋒，張祖蔭，郭偉.3mm波段輻射成像研究[J].紅外與毫米波學報，2005.

[2] 張祖蔭，林士杰.微波輻射測量技術及應用[M].電子工業(yè)出版社.

[3] 陳曦，曹東任，吳禮等.金屬球毫米波輻射特性建模與分析[J].光電工程，2013.

StudyonLTCCbased3mm/8mmBandRadiometerPassiveDetection

Li Youchi, Yang Baoping, Fang Jianfeng, Zhu Fengren, Zhu Chenxing

(The No.214 Research Institute of NORINCO group, Suzhou 215163)

Performance of millimeter-wave radiometer passive detection and other detection systems are compared. Basic theory of millimeter-wave radiometer passive detection is introduced, detection method of 3mm and 8mm bands radiation characteristics of metal targets on water surface is proposed. A direct demodulation millimeter-wave radiometer detection system for detecting sea-surface targets is designed, RF front-end, antenna and signal processing unit of the detection system are discussed in detail; a direct demodulation radiometer system which features small-size, light weight, and low power consumption is developed.

millimeter wave radiometer；direct demodulation；target detection；antenna

2017-06-12

李有池(1974-)，男，高級工程師。主要從事混合集成電路設計。

TN974

A

1008-8652(2017)03-011-08