Ka频段射频对消连续波雷达前端研制

赵 青

(中国西南电子技术研究所,成都 610036)

Ka频段射频对消连续波雷达前端研制

赵 青

(中国西南电子技术研究所,成都 610036)

介绍了一种全模拟Ka频段自适应射频对消技术,用于解决连续波雷达收发隔离不足的问题。该技术利用了幅度相等、相位相反矢量叠加后相互抵消的基本原理,采用毫米波解调器把泄露信号分解为I、Q信号,经有源滤波放大网络后再通过毫米波矢量调制器构造出与泄露信号等幅反相的矢量,并通过波导耦合器馈入接收通道与泄露信号叠加达到对消效果。采用此技术,研制出了一台带对消器的Ka频段单天线连续波雷达原理样机,在600MHz对消带宽内,对消度达到25 dB以上,最大对消度35 dB。

Ka频段;连续波雷达;射频前端;泄露对消;毫米波矢量调制器

1 引 言

连续波雷达与脉冲雷达相比,具有小的发射功率、低截获概率、低功耗和较低电路复杂度等显著优点,因此在小型化导引头、雷达、引信和电子战干扰机等系统中具有重要应用价值。在雷达应用中,隔离度是一个很关键的指标,隔离度不足会带来至少两个方面的影响:一是接收噪声恶化,发射机边带噪声甚至可能将弱信号直接淹没;二是灵敏度降低,大的发射泄露信号可以将接收放大器推饱和。

脉冲雷达可采用电子开关切换收发信号获得30 dB以上隔离度,通过收发分时加电隔离度可以非常理想。但连续波雷达除了采用双天线体制以外,只能通过射频对消技术来提高收发隔离度。

射频对消可分为无源对消和有源对消两大类。无源对消是利用多个3 dB正交电桥(或lange耦合器)及同相功分器设计出平衡式无源网络,天线反射回波通过这种平衡结构的无源网络后可起对消效果。无源对消技术并不拟合或生成任何对消矢量,只是利用无源网络本身的平衡特性对泄漏信号进行对消。采用这种技术的系统,发射功率损失至少3 dB,接收噪声也会恶化至少3 dB,也即会导致至少6 dB的系统损失[1-2],并且这种技术对消效果较有限。

而有源对消又可划分为模拟式[3]、数字式[4-5],其基本原理都是构造泄漏信号的等幅反相矢量,与泄漏信号叠加以达到对消效果。数字式需采用DSP及AD、DA等数字信号处理模块来对泄漏信号进行分解及量化,并可选用多种自适应算法来改善收敛速度,获得更优的对消比。但这种方案设备量大,成本高,功耗也更大。而且时钟信号干扰等其他各种数字噪声可能耦合到接收通道导致系统性能大幅恶化。而模拟式对消收敛速度快,不会由基带处理部分引入额外噪声恶化系统性能,更适合一些要求设备轻小型、低功耗系统应用。

本文采用全模拟式的闭环式自适应射频对消技术,利用双向工作的毫米波调制(解调)器MMIC单片来实现对泄漏信号的分解及对消信号的合成,设备非常简单,环路响应时间远低于数字式对消。

2 闭环式自适应射频对消基本原理

2.1 射频对消基本原理

如图1所示,矢量 A与矢量B可以合成矢量C。当矢量A和B完全等幅反向的时候,合成矢量C=0。射频对消正是利用了矢量合成的基本原理,通过构造泄露矢量 A的等幅反向矢量B就可以对消A。矢量A、B之间的幅度及相位误差决定对消深度。

图1 接收矢量合成示意图Fig.1 Diagram of vector combination

2.2 闭环自适应对消关键技术

关键技术包括两个方面:一是Ka频段宽带矢量调制器研制,二是自适应对消环路设计。

2.2.1 Ka频段宽带矢量调制器研制

基本的矢量调制器原理如图2所示。输入信号通过正交功分器分为等幅度而相位差90°的两个信号I、Q,这两个正交信号分别经双相调制器调制后,再同向功率合成为一路输出。

图2 基本的矢量调制器原理图Fig.2 Schematic diagram of basic vector modulator

双相调制器由正交功分器和一对阻抗可调负载组成,输出信号幅度取决于直通端口及耦合端口反射系数的幅度和相位。当双相调制器负载为低阻抗时(远小于50 Ψ),信号几乎完全反相反射;当负载为高阻抗时(远大于50 Ψ),信号同相反射。当负载阻抗接近50 Ψ时,反射信号幅度接近0。通过调整控制电压,改变双相调制器负载,实现幅度和相位的改变,产生矢量调制效果。

图3所示矢量调制器能实现Ka频段2GHz带宽内任意矢量的调制。若希望进一步消除寄生参数影响,改善温度特性,可采用平衡式矢量调制器,其固定的高频响应特性有利于改善射频对消器的温度稳定性。

图3 矢量调制器版图Fig.3VM layout

2.2.2 自适应对消环路设计

闭环电路设计主要包含两方面内容:环路稳定性设计和环路时延及相位匹配设计。

(1)环路稳定性设计

稳定工作是闭环射频对消性能指标得以实现的前提,只有在保证稳定工作的条件下性能指标的好坏才有意义。根据理论分析可得出结论,当I、Q支路的相位误差小于等于20°,整个对消系统可以看作两个完全不相关的标准线性反馈网络,如图4所示。此时,环路可以认为是稳定的。

图4 在特定相位误差条件下的反馈网络Fig.4 Feedback loop with certain phase error

I、Q两路相位误差由解调器正交性、矢量调制器的正交性以及I、Q两路有源低通滤波网络的相位一致性决定。混频器及调制器在带宽内相位误差均小于3°;I、Q两路有源低通滤波网络采用同型号同批次器件,并在设计印制板电路时考虑走线对称性可使相位误差小于5°。因此I、Q相位误差能满足不大于20°的稳定性条件要求。

(2)延时及相位匹配设计

实际应用的连续波雷达一般采用线性三角波调频体制,如图5所示。固定点频连续波体制可以看成是线性调频连续波体制的特例情况,基于线性调频体制的分析及推导同样适用于固定点频体制。

图5 线性三角波频率调制Fig.5 Diagram of linear triangle wave FM

设三角波调制频率为 fm,调制带宽为B,定义发射泄漏信号和本振信号混频产生的差拍信号频率为 fb,则有

设对消环路响应时间为 tD,则对消环路相位偏差Δθ满足

图6 前端组成框图Fig.6 Frontend Architecture

以图6所示的对消闭环结构进行分析,得到延时匹配两个设计要求:

(1)发射信号到达混频器本振端所经过的路径A′的电长度应与到达混频器射频端所经的路径 A的电长度相等;

(2)发射信号通过路径B′到达耦合器C1耦合端P点所经电长度应与通过路径B到达P点所经的电长度相等。

第一个设计要求保证解调后差拍频 fb≈0,Δθ≈0,而第二个设计要求保证对消信号和泄露信号为同频矢量。通过计算可得时延匹配误差应小于等于70 ps。延时匹配通过对传输路径的等电长度设计保证,对路径A和B′中有源放大器和矢量调制器带来的时延应依据实际测量结果进行相应传输路径的电长度补偿。

3 单天线连续波雷达前端研制

3.1 设备组成

整个前端构成如图7所示,主要包括3个部分:发射模块、接收模块及对消模块。各模块之间用波导耦合器连接。接收模块包括波导微带过渡、低噪放和正交解调器;发射模块由多级固态功率放大器组成;射频对消模块由有源滤波放大单元、矢量调制器、相位时延匹配单元等几部分组成。

图7 设备框图Fig.7 Block diagram of equipment

3.2 关键指标分解

(1)对消度指标分解

根据数学计算,对消度要大于25 dB,泄露矢量之间幅度误差小于等于±0.5 dB,相位误差小于等于±1.5°。

闭环自适应对消方案是个自适应收敛过程,对消后的误差矢量 C解调为I、Q两个分量,这两个分量包含了矢量C完整的幅度及相位信息。I、Q分量将控制有源滤波放大单元从而改变对消矢量 B的幅相特性。当整个自适应过程收敛达到稳态后,误差矢量C≈0。因而,需要通过设计保证对消器最大输出功率大于泄露功率。

(2)收发及对消矢量合成单元指标分配

发射单元采用两级放大器,驱动级输出饱和功率大于22 dBm以推动大功率器件输出大于33.5 dBm。考虑无源耦合器、波导微带过渡、环行器等损耗发射单元输出功率大于1 W。发射信号由环行器隔离度以及天线驻波造成的泄露进入接收通道最大11 dBm,对消度按25 dB计算,则在对消进入稳态后泄露信号为-14 dBm。此泄露信号电平条件下接收单元能线性工作,只能采用一级低噪放,指标分配应按对消稳态进行计算。

(3)结构及组装

各模块电路均采用双面布局,射频电路和低频电路分布于腔体正反两面,通过馈电绝缘子连接。

微带传输线与镀金铜腔体直接焊接。MMIC裸芯片及其他微封装表贴器件由导电胶直接粘接在腔体底部。

前端结构示意图及实物照片如图8所示。左边为发射模块,该模块有10 W直流功耗,需采取适当散热措施。设备包括了耦合器、时延匹配腔等多个波导结构件,波导和平面微带电路之间以高性能波导微带过渡进行电连接。装配中要考虑X、Y两个方向的对位精度。

图8 前端结构及实物照片Fig.8 Frontend structure and its photo

从接收端(图6中 P点后)耦合信号输出到频谱仪进行监控。发射信号源扫频,当对消器不工作,耦合信号频谱如图9所示。对消器正常工作达到稳态后,频谱如图10所示。对比两图可以看出,在600MHz带宽内可取得大于25 dB的对消度。

图9 对消前泄露功率测试结果Fig.9 Measurement of of the leakage signal before and after cancellation

图10 对消后泄露功率测试结果Fig.10 Measurement of the leakage signal after cancellation

前端测试结果如表1所示。

表1 前端测试数据Table 1Measurement data of the front-end

4 结 论

本文研究了一种全模拟式闭环自适应对消技术,并应用此技术研制出Ka频段单天线连续波雷达原理样机实物,在大于600MHz带内获得25 dB以上对消度。采用了全模拟式有源对消技术,无需数字信号处理终端,不会额外引入数字噪声,且对消收敛达到稳态时间短,设备非常简单,因此,在要求设备轻小型、低功耗的单天线连续波雷达系统中具有广泛应用前景。

[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

赵 青(1979—),女,四川泸州人,2004年于电子科技大学获硕士学位,现为工程师,主要从事毫米波组件的开发研究工作。