基于步進頻連續波雷達的射頻對消?

(電子科技大學電子工程學院,四川成都611731)

0 引言

連續波雷達與脈沖雷達相比具有更低的發射功率、更高的分辨率,以及更低的峰值功率,這就會使連續波雷達更加難以被探測到[1-2]。

但是SFCW雷達有一個最大的缺點就是收發之間的隔離度不夠[3],造成接收機的噪聲惡化,有可能會淹沒小的目標回波信號,還會降低接收機的靈敏度,甚至可能會使低噪放飽和以及燒毀。射頻對消技術是解決這個問題的一種有效方法[4]。射頻對消包括數字對消技術和模擬對消技術。數字對消技術主要由AD,DA,DSP等數字器件構成,所以相較于模擬對消技術來說數字對消技術的設備更加復雜,響應時間更長,使整個對消系統響應時間增加[5],可能會使對消系統不能穩定工作。所以,本文中介紹的是模擬對消技術,整個對消系統結構簡單,響應速度較快[6-7]。

1 系統模型

圖1給出了整個射頻對消系統的結構圖,在接收端,接收到的信號中既有遠處目標的有用回波信號,也有從發射天線直接耦合過來的信號[8]。射頻對消系統通過矢量調制器產生一個與直耦信號等幅反相的對消信號。

圖1 對消系統的結構圖

信號源發射出來的信號[9]可以表示為

式中,f i為第i(0≤i≤N-1)個點的頻率,u(t)為這個信號的包絡[10],可以表示為

式中,Tr為一個頻點的持續時間,通過計算可以得到直耦信號:

式中,G1為從頻率源到接收機的傳輸系數,l1為從頻率源到發射天線間的距離,l2為發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。混頻器的射頻信號可以表示為

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

式中,G3為頻率源到混頻器的傳輸系數,l4為頻率源到混頻之間的長度。射頻信號與本振信號在混頻器經過混頻,得到正交的I,Q信號:

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

式中,G4為低頻控制電路的傳輸系數。

矢量調制器的射頻輸入信號可以表示為

式中,G5為從頻率源到矢量調制器的傳輸系數。矢量調制器輸入的射頻信號,I,Q信號的控制下進行調制生成的對消信號可以表示為

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

式(13)表示信號從頻率源經過矢量調制器到合路器的傳輸系數要等于信號從頻率源經過發射機到接收機的傳輸系數,并且還需要有反相。

式(14)表示對消信號經過的電長度要等于直接耦合信號經過的電長度。

式(15)表示混頻器的本振信號LO和射頻信號RF的電長度也要相等。

式(13)～(15)是設計整個射頻對消系統的重要依據。

2 系統性能分析

定義對消比為

式中,Pl為直接耦合信號的功率,Pe為對消后剩余信號的功率。

根據前面的分析,要達到對消效果,對消信號與直耦信號必須等幅反相。在復平面內,假設為直耦信號為生成的對消信號為對消后的剩余信號,Δφ為相位誤差,圖2展現了對消的基本原理。

圖2 對消的原理

根據式(16),D可以表示為

幅度誤差可以表示為

將式(19)代入式(18)得

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

圖3 對消比的三維圖

從圖中可以看出,要想達到一個良好的對消比,對幅度誤差和相位誤差要求比較苛刻,要想達到30 dB的對消比,就要求相位誤差在1°以內,幅度誤差小于0.25 dB。

3 測試結果

從系統框圖可知整個系統可以分為3個模塊:發射模塊、接收模塊和對消模塊。其中最重要的就是對消模塊,對消模塊主要由低頻控制電路和以矢量調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。找到一個合適的放大倍數才能較好地還原出直耦信號,達到良好的對消比。為了防止對消掉有用的回波信號,濾波電路是必不可少的,由于回波信號經過正交混頻器混頻下來的中頻信號的頻率跟目標到天線的距離和掃頻頻率有關,距離越遠,混頻下來的中頻信號頻率越高,如圖4所示,所以設置一個適當的截止頻率是整個系統能否正常工作的關鍵。積分電路的作用是為了能夠持續給矢量調制器提供I,Q控制信號,避免當直耦信號被對消掉后矢量調制器沒有控制信號從而造成系統不穩定。

圖4 不同距離下的I,Q信號

整個系統經過調試,分別測試了點頻和掃頻模式下的對消,得到了一個比較好的結果,如圖5～7所示。

從圖5～7可以看出,在點頻模式下測試了2 GHz和2.1 GHz的對消,在兩個頻點處對消比都達到了40 dB以上,而在掃頻模式下,從1.7 GHz到2.2 GHz的500 MHz帶寬內對消比在30 d B左右,整個對消系統工作良好。進一步測試1.7～2.2 GHz的相位和幅度誤差,如表1所示。

圖5 點頻測試

圖6 對消前頻譜圖

圖7 對消后頻譜圖

表1 各頻率點的幅度及相位誤差

從上表可以看出,在1.7～2.2 GHz的幾個頻率點上相位誤差都在1°以內,幅度誤差都小于0.25 d B,與理論分析相吻合,要想進一步提高對消比,可以加入自適應算法,尋找最優值,以進一步縮小相位及幅度誤差來提高對消比,這是對消研究的下一步需要進行的。

4 結束語

本文介紹了對消的基本原理,分析了相位誤差和幅度誤差對整個系統的影響,并設計了基于步進頻連續波雷達的模擬對消系統,對消系統響應時間快,遠小于跳頻時間100μs,整個系統能穩定地工作,并得到了較好的對消比。點頻的對消比能達到40 dB以上,掃頻時,在500 MHz的帶寬內,對消比能達到30 d B。

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