Ka頻段射頻對消連續波雷達前端研制

趙 青

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

Ka頻段射頻對消連續波雷達前端研制

趙 青

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

介紹了一種全模擬Ka頻段自適應射頻對消技術,用于解決連續波雷達收發隔離不足的問題。該技術利用了幅度相等、相位相反矢量疊加后相互抵消的基本原理,采用毫米波解調器把泄露信號分解為I、Q信號,經有源濾波放大網絡后再通過毫米波矢量調制器構造出與泄露信號等幅反相的矢量,并通過波導耦合器饋入接收通道與泄露信號疊加達到對消效果。采用此技術,研制出了一臺帶對消器的Ka頻段單天線連續波雷達原理樣機,在600MHz對消帶寬內,對消度達到25 dB以上,最大對消度35 dB。

Ka頻段;連續波雷達;射頻前端;泄露對消;毫米波矢量調制器

1 引 言

連續波雷達與脈沖雷達相比,具有小的發射功率、低截獲概率、低功耗和較低電路復雜度等顯著優點,因此在小型化導引頭、雷達、引信和電子戰干擾機等系統中具有重要應用價值。在雷達應用中,隔離度是一個很關鍵的指標,隔離度不足會帶來至少兩個方面的影響:一是接收噪聲惡化,發射機邊帶噪聲甚至可能將弱信號直接淹沒;二是靈敏度降低,大的發射泄露信號可以將接收放大器推飽和。

脈沖雷達可采用電子開關切換收發信號獲得30 dB以上隔離度,通過收發分時加電隔離度可以非常理想。但連續波雷達除了采用雙天線體制以外,只能通過射頻對消技術來提高收發隔離度。

射頻對消可分為無源對消和有源對消兩大類。無源對消是利用多個3 dB正交電橋(或lange耦合器)及同相功分器設計出平衡式無源網絡,天線反射回波通過這種平衡結構的無源網絡后可起對消效果。無源對消技術并不擬合或生成任何對消矢量,只是利用無源網絡本身的平衡特性對泄漏信號進行對消。采用這種技術的系統,發射功率損失至少3 dB,接收噪聲也會惡化至少3 dB,也即會導致至少6 dB的系統損失[1-2],并且這種技術對消效果較有限。

而有源對消又可劃分為模擬式[3]、數字式[4-5],其基本原理都是構造泄漏信號的等幅反相矢量,與泄漏信號疊加以達到對消效果。數字式需采用DSP及AD、DA等數字信號處理模塊來對泄漏信號進行分解及量化,并可選用多種自適應算法來改善收斂速度,獲得更優的對消比。但這種方案設備量大,成本高,功耗也更大。而且時鐘信號干擾等其他各種數字噪聲可能耦合到接收通道導致系統性能大幅惡化。而模擬式對消收斂速度快,不會由基帶處理部分引入額外噪聲惡化系統性能,更適合一些要求設備輕小型、低功耗系統應用。

本文采用全模擬式的閉環式自適應射頻對消技術,利用雙向工作的毫米波調制(解調)器MMIC單片來實現對泄漏信號的分解及對消信號的合成,設備非常簡單,環路響應時間遠低于數字式對消。

2 閉環式自適應射頻對消基本原理

2.1 射頻對消基本原理

如圖1所示,矢量 A與矢量B可以合成矢量C。當矢量A和B完全等幅反向的時候,合成矢量C=0。射頻對消正是利用了矢量合成的基本原理,通過構造泄露矢量 A的等幅反向矢量B就可以對消A。矢量A、B之間的幅度及相位誤差決定對消深度。

圖1 接收矢量合成示意圖Fig.1 Diagram of vector combination

2.2 閉環自適應對消關鍵技術

關鍵技術包括兩個方面:一是Ka頻段寬帶矢量調制器研制,二是自適應對消環路設計。

2.2.1 Ka頻段寬帶矢量調制器研制

基本的矢量調制器原理如圖2所示。輸入信號通過正交功分器分為等幅度而相位差90°的兩個信號I、Q,這兩個正交信號分別經雙相調制器調制后,再同向功率合成為一路輸出。

圖2 基本的矢量調制器原理圖Fig.2 Schematic diagram of basic vector modulator

雙相調制器由正交功分器和一對阻抗可調負載組成,輸出信號幅度取決于直通端口及耦合端口反射系數的幅度和相位。當雙相調制器負載為低阻抗時(遠小于50 Ψ),信號幾乎完全反相反射;當負載為高阻抗時(遠大于50 Ψ),信號同相反射。當負載阻抗接近50 Ψ時,反射信號幅度接近0。通過調整控制電壓,改變雙相調制器負載,實現幅度和相位的改變,產生矢量調制效果。

圖3所示矢量調制器能實現Ka頻段2GHz帶寬內任意矢量的調制。若希望進一步消除寄生參數影響,改善溫度特性,可采用平衡式矢量調制器,其固定的高頻響應特性有利于改善射頻對消器的溫度穩定性。

圖3 矢量調制器版圖Fig.3VM layout

2.2.2 自適應對消環路設計

閉環電路設計主要包含兩方面內容:環路穩定性設計和環路時延及相位匹配設計。

(1)環路穩定性設計

穩定工作是閉環射頻對消性能指標得以實現的前提,只有在保證穩定工作的條件下性能指標的好壞才有意義。根據理論分析可得出結論,當I、Q支路的相位誤差小于等于20°,整個對消系統可以看作兩個完全不相關的標準線性反饋網絡,如圖4所示。此時,環路可以認為是穩定的。

圖4 在特定相位誤差條件下的反饋網絡Fig.4 Feedback loop with certain phase error

I、Q兩路相位誤差由解調器正交性、矢量調制器的正交性以及I、Q兩路有源低通濾波網絡的相位一致性決定?；祛l器及調制器在帶寬內相位誤差均小于3°;I、Q兩路有源低通濾波網絡采用同型號同批次器件,并在設計印制板電路時考慮走線對稱性可使相位誤差小于5°。因此I、Q相位誤差能滿足不大于20°的穩定性條件要求。

(2)延時及相位匹配設計

實際應用的連續波雷達一般采用線性三角波調頻體制,如圖5所示。固定點頻連續波體制可以看成是線性調頻連續波體制的特例情況,基于線性調頻體制的分析及推導同樣適用于固定點頻體制。

圖5 線性三角波頻率調制Fig.5 Diagram of linear triangle wave FM

設三角波調制頻率為 fm,調制帶寬為B,定義發射泄漏信號和本振信號混頻產生的差拍信號頻率為 fb,則有

設對消環路響應時間為 tD,則對消環路相位偏差Δθ滿足

圖6 前端組成框圖Fig.6 Frontend Architecture

以圖6所示的對消閉環結構進行分析,得到延時匹配兩個設計要求:

(1)發射信號到達混頻器本振端所經過的路徑A′的電長度應與到達混頻器射頻端所經的路徑 A的電長度相等;

(2)發射信號通過路徑B′到達耦合器C1耦合端P點所經電長度應與通過路徑B到達P點所經的電長度相等。

第一個設計要求保證解調后差拍頻 fb≈0,Δθ≈0,而第二個設計要求保證對消信號和泄露信號為同頻矢量。通過計算可得時延匹配誤差應小于等于70 ps。延時匹配通過對傳輸路徑的等電長度設計保證,對路徑A和B′中有源放大器和矢量調制器帶來的時延應依據實際測量結果進行相應傳輸路徑的電長度補償。

3 單天線連續波雷達前端研制

3.1 設備組成

整個前端構成如圖7所示,主要包括3個部分:發射模塊、接收模塊及對消模塊。各模塊之間用波導耦合器連接。接收模塊包括波導微帶過渡、低噪放和正交解調器;發射模塊由多級固態功率放大器組成;射頻對消模塊由有源濾波放大單元、矢量調制器、相位時延匹配單元等幾部分組成。

圖7 設備框圖Fig.7 Block diagram of equipment

3.2 關鍵指標分解

(1)對消度指標分解

根據數學計算,對消度要大于25 dB,泄露矢量之間幅度誤差小于等于±0.5 dB,相位誤差小于等于±1.5°。

閉環自適應對消方案是個自適應收斂過程,對消后的誤差矢量 C解調為I、Q兩個分量,這兩個分量包含了矢量C完整的幅度及相位信息。I、Q分量將控制有源濾波放大單元從而改變對消矢量 B的幅相特性。當整個自適應過程收斂達到穩態后,誤差矢量C≈0。因而,需要通過設計保證對消器最大輸出功率大于泄露功率。

(2)收發及對消矢量合成單元指標分配

發射單元采用兩級放大器,驅動級輸出飽和功率大于22 dBm以推動大功率器件輸出大于33.5 dBm。考慮無源耦合器、波導微帶過渡、環行器等損耗發射單元輸出功率大于1 W。發射信號由環行器隔離度以及天線駐波造成的泄露進入接收通道最大11 dBm,對消度按25 dB計算,則在對消進入穩態后泄露信號為-14 dBm。此泄露信號電平條件下接收單元能線性工作,只能采用一級低噪放,指標分配應按對消穩態進行計算。

(3)結構及組裝

各模塊電路均采用雙面布局,射頻電路和低頻電路分布于腔體正反兩面,通過饋電絕緣子連接。

微帶傳輸線與鍍金銅腔體直接焊接。MMIC裸芯片及其他微封裝表貼器件由導電膠直接粘接在腔體底部。

前端結構示意圖及實物照片如圖8所示。左邊為發射模塊,該模塊有10 W直流功耗,需采取適當散熱措施。設備包括了耦合器、時延匹配腔等多個波導結構件,波導和平面微帶電路之間以高性能波導微帶過渡進行電連接。裝配中要考慮X、Y兩個方向的對位精度。

圖8 前端結構及實物照片Fig.8 Frontend structure and its photo

從接收端(圖6中 P點后)耦合信號輸出到頻譜儀進行監控。發射信號源掃頻,當對消器不工作,耦合信號頻譜如圖9所示。對消器正常工作達到穩態后,頻譜如圖10所示。對比兩圖可以看出,在600MHz帶寬內可取得大于25 dB的對消度。

圖9 對消前泄露功率測試結果Fig.9 Measurement of of the leakage signal before and after cancellation

圖10 對消后泄露功率測試結果Fig.10 Measurement of the leakage signal after cancellation

前端測試結果如表1所示。

表1 前端測試數據Table 1Measurement data of the front-end

4 結 論

本文研究了一種全模擬式閉環自適應對消技術,并應用此技術研制出Ka頻段單天線連續波雷達原理樣機實物,在大于600MHz帶內獲得25 dB以上對消度。采用了全模擬式有源對消技術,無需數字信號處理終端,不會額外引入數字噪聲,且對消收斂達到穩態時間短,設備非常簡單,因此,在要求設備輕小型、低功耗的單天線連續波雷達系統中具有廣泛應用前景。

[1]Kim J G,Sangsoo Ko,Sanghoon Jeon,et al.Balanced Topology to Cancel Tx Leakage in CW Radar[J].IEEE Microwave and Wireless ComponentsLetters,2004,14(9):443-445.

[2]Kim C Y,Kim J G.Tx Leakage Cancellers for 24GHz and 77GHz Vehicular Radar Applications[C]//Proceedings of IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.San Francisco,California:IEEE,2006:1402-1405.

[3]Raleigh G G,Pollack M A.Design of a miniature solid state feed-thru nuller[C]//Proceedings of IEEEMTT-S International Microwave Symposium Digest.Dallas,TX:IEEE,1990:965-968.

[4]LinKaihui,Wang Y E.Real-time DSP for Reflected Power Cancellation in FMCW Radars[C]//Proceedings of the 60th IEEE Vehicular Technology Conference.Los Angeles,California,USA:IEEE,2004:3905-3907.

[5]Lin Kaihui,Wang Yuanxun,Pao Cheng-Keng,et al.A Ka-Band FMCW Radar Front-End With Adaptive Leakage Cancellation[J].IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques,2006,54(12):4041-4048.

ZHAO Qing was born in Luzhou,Sichuan Province,in 1979.She received the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2004.She is now an engineer.Her research concerns R&D of millimeter wave module.

Email:qinglemon@gmail.com

Design of Ka-band Front-end with RF Cancellation in Continuous Wave Radar System

ZHAO Qing
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

An analogue adaptive RF cancellation technique is introduced.It bases on the principle that the sum of two vectors with equal magnitude and reverse phase equals to zero.The leakage is decompounded into I-channel and Q-channel signals by millimeter wave(MMW)demodulator,I-channel and Q-channel signals are filtered and amplified,then the opposite vector of the leakage is constructed by MMW vector modulator.Finally,the constructed vector iscoupled into the receiver to cancel the leakage.By adopting this method,a complete front-end demonstrator is developed.Test result shows that the leakage can be cancelled for more than 25 dB over 600MHz,and the maximal value is 35 dB.

Ka-band radar;continuous wave radar;RF front-end;leakage cancellation;MMW vector modulator

TN957

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.027

1001-893X(2012)06-0964-05

2012-04-11;

2012-05-21

趙 青(1979—),女,四川瀘州人,2004年于電子科技大學獲碩士學位,現為工程師,主要從事毫米波組件的開發研究工作。