新型X频段六端口测速测距雷达的设计与仿真

方新田,童创明,2,刘 磊,吴利楠

(1.空军工程大学 导弹学院,陕西 三原713800;2.毫米波国家重点实验室,南京 210096;3.空军实验训练基地三区司令部教研室,甘肃 山丹 734100)

1 引 言

本文利用仿真软件Ansoft HFSS实现了中心工作频率为10GHz的六端口结及六端口测速测距雷达关键器件的仿真设计,且利用器件测量结果实现了六端口测速测距雷达的系统仿真,结果表明该雷达系统具有较高的测量精度和工作性能。

2 六端口雷达设计与仿真

2.1 基本原理

六端口测量技术是根据矢量分析原理,采用幅度测量代替相位测量来测量复反射系数的幅度和相位。图1所示为由4个90°定向耦合器和两个45°相移组成的六端口结。每个端口(i=1～4)的输出功率Pi可以表示为

图1 六端口结构示意图Fig.1 Illustration of the six-port junction

式中,K是比值常量,qi是六端口结的q点。

六端口结的q点则为等式Pi=0在复平面内的解。

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为进行功率测量,功率计会接到六端口结的输出端。理想功率计的直流输出电压与六端口结的输出信号幅度的二次幂呈线性关系。令六端口各输出端口信号为bi(i=1～4),则功率计直流输出电压Vi为

结合式(2)可进一步得到:

式中,Δθ=θ6-θ5为射频输入信号和本振输入信号相位差,输出电压的周期均为2π且与相互间相位相差π/2的整数倍。图2为两输入信号不同相位差时对应的归一化直流输出电压。令反射系数矢量为Γ,则可由测得的4个功率计输出信号表示为

反射信号的幅度和相位即可由式(6)得到。Γ矢量的幅度对应于反射信号的幅度,而相位则对应于两射频信号的相位差。

图2 归一化六端口结4个输出电压波形Fig.2 Normalized output DC voltages of the six-port junction

2.2 六端口雷达测量原理

当发射信号和接收信号作为六端口两输入信号,目标的速度可由多普勒频率决定:

式中,fD为多普勒频率,c为光速,f为发射信号的频率。其中:

反射系数 Γ矢量会随着多普勒频率fD在复平面内旋转,目标相对运动方向可由 Γ矢量在复平面内的旋转方向得到。

距离测量则需要使用频率为f1和f2的两个连续波。目标的距离d可以通过两反射系数和的相位差得到:

最大的测量精度范围则对应最大的反射系数相位差为2π。

2.3 X频段六端口结

该六端口结采用微带结构,介质板相对介电常数为2.2,厚度0.5mm,其实物图如图3所示。

图3 六端口结实物图Fig.3 Configuration of six-port junction

根据测速测距雷达的工作原理,六端口结应工作在较窄的带宽,如图4(a)所示,在9.5～10.5 GHz的带宽范围内,本振与射频输入端口的反射损耗以及之间的隔离都低于-15 dB,符合系统要求。图4(b)和图4(c)为本振输入端口的S参数和4个输出端口的相位关系。图4(d)和图4(e)为射频输入端口的S参数以及4个输出端口的相位关系。根据公式(1),4个输出端口的功率是两个输入端口和4个输出端口之间S参数的函数,而它们的幅度理论值为-6 dB。图4(b)和图4(d)为六端口结两个输入端口和4个输出端口之间S参数的实测幅度值,其值在10GHz时都处于-6.5 dB左右,且在工作带宽内其幅度值的变化范围都是可以接受的。图4(c)和图4(e)为六端口结两个输入端口和4个输出端口之间S参数的实测相位值,由图可知各个输出端口之间相位关系也符合六端口结的设计要求。

2.4 X频段六端口测速测距雷达

图5给出了六端口测速测距雷达的结构示意图,以六端口的测量数据为基础,进行ADS系统仿真,系统添加以下元器件参数:增益为8 dBi的发射和接收天线,15 dB耦合器,15 dB衰减器,10dB低噪声放大器以及10dBm的压控振荡器。仿真时,目标反射信号多普勒频率设为1 kHz。

图4 六端口结测量结果Fig.4 Measurement result of six-port junction

图5 六端口雷达结构图Fig.5 Block diagram of the six-port radar

图6为系统仿真中得到的六端口结(检波管之前)一个输出端口的输出信号,其周期为1 ms,多普勒频率为1 kHz,与反射信号的多普勒频率1 kHz相一致。由此可见六端口系统在测量多普勒频率方面误差很小。目标的相对速度v可通过式(7),由测量得到的多普勒频率计算得到,当 fD=1 kHz、f=10GHz时,目标的相对速度为15 m/s。

图6 六端口雷达仿真电压输出波形(fD=1 kHz)Fig.6 Simulated wave form of an six-port radar output signal(fD=1 kHz)

为得到目标的距离,系统仿真使用两个不同频率的连续波交替发射,并测量各自对应的相位差,通过公式(9)计算得到目标距离。例如两个连续波的频率差为Δf=2 MHz时,精确测量范围为75 m。

图7为使用六端口结测量的 S参数进行系统仿真,目标距离25 m时得到的六端口雷达4个输出端口的对应电压输出波形。与图2进行对比,电压输出波形有相同的趋势,但是电压输出波形的幅度的最大值并不一致,这应该是由于六端口结设计与加工的非理想性使得六端口结的传输 S参数与理论值有一定的偏差造成的。

系统仿真时频率差为2MHz,目标距离为25 m,通过处理得到的反射信号相位结果如图8所示。对应于距离的变化,反射信号相位具有一定的非线性变化,但仍符合距离测量精度的要求。

图7 六端口雷达仿真归一化电压输出波形Fig.7 Normalized simulation output voltages versus the distance resolution

图8 两个连续波相位信号Fig.8 Phase signal versus the distance resolution for two CW signals

3 总 结

本文设计了微带结构的六端口结,并利用其测量数据进行了六端口测速测距雷达的系统仿真。仿真结果表明,六端口雷达在距离和相对速度的测量方面有着相当高的精确度。六端口测量技术因其通过功率电压等标量参数的测量而精确得到复反射系数的相位和幅度的特性,因此得到了广泛应用。不仅如此,六端口电路还具有体积小、成本低、易于集成、多频段工作等优点,这些优势必将给六端口测速测距雷达注入强大的活力。由此可见,六端口雷达作为一种新型的测速测距雷达,有着非常良好的发展前景。

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