CN104569930A

CN104569930A - 一种线性调频连续波雷达泄漏信号对消电路

Info

Publication number: CN104569930A
Application number: CN201410837775.4A
Authority: CN
Inventors: 王宝平; 刘峰; 沈国松; 刘海波; 赵婧
Original assignee: BEIJING POLYTECHNIC LEIKE ELECTRONIC INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING POLYTECHNIC LEIKE ELECTRONIC INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-12-29
Filing date: 2014-12-29
Publication date: 2015-04-29

Abstract

本发明公开了一种线性调频连续波雷达泄漏信号对消电路，通过环形器将发射信号由天线发射；第一耦合器的输入端连接发射信号、直通端连接至环形器、耦合端连接至第二耦合器的输入端；第二耦合器的直通端连接至矢量调制器的信号输入端、耦合端连接至移相器；移相器通过放大器连接至正交混频器的LO信号输入端，环形器中的泄漏信号输入至第三耦合器，第三耦合器的直通端连接至第四耦合器、耦合端与矢量调制器的输出端相连；第四耦合器的直通端连接至接收机、耦合端连接至正交混频器的RF信号输入端；正交混频器输出两路差分信号分别通过差分运算放大器、有源低通滤波器和加法电路连接至矢量调制器，其中在加法电路与补偿电压进行加法运算。

Description

一种线性调频连续波雷达泄漏信号对消电路

技术领域

本发明属于射频微波电路技术领域，适用于线性调频连续波体制雷达，特别适用于单天线的线性调频连续波雷达***。

背景技术

连续波雷达面临最大的挑战是如何在收发机之间获得足够的隔离度。由于连续波雷达的收发是同时进行的，使得发射机对接收机的影响不能像脉冲雷达那样采用收发开关来消除。因此，连续波雷达最严重的缺点是发射信号泄漏。对脉冲雷达而言，使用收发开关可以使发射和接收在时间上分开，即发射时不接收，接收时不发射。在连续波雷达中发射和接收是同时进行的，而且需要在发射功率为几瓦的情况下检测功率在10^-6W数量级甚至更低的有用目标回波信号将会导致两个严重的问题：(1)发射信号的噪声将会淹没有用信号；(2)泄漏到接收机中的信号将会降低接收机的灵敏度。当发射信号功率比较大时，泄漏到接收机中的发射信号不仅会使接收机饱和甚至可能烧毁接收机。对于单天线的雷达***，受环形器隔离度的限制,大部分的泄漏来自和发射机与接收机相连的环形器，一般情况下环形器的隔离度只有25—30dB。对双天线的雷达***而言，大部分的泄漏来自发射天线和接收天线在自由空间的耦合，双天线的雷达***可以获得60dB左右的隔离度。大部分线性调频连续波雷达使用两个天线来克服设计高隔离度的环形器。但是对于整机实际灵敏度要求很高的雷达***，使用双天线仍然不能满足要求。

线性调频连续波雷达发射信号泄漏是不可避免的，信号泄漏问题严重制约着连续波雷达的使用。这也是自雷达开始使用以来，脉冲雷达占据主导地位而连续波雷达的使用受到限制的原因所在。要使线性调频连续波雷达的应用更加广泛，必须解决信号泄漏问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种线性调频连续波雷达泄漏信号对消电路，能够在动态扫频情况下可以使泄露信号降低30dB以上，相对工作带宽大于5％，在泄露信号幅度与相位改变时，能够适应泄露信号的变化，对消比均在30dB以上，而且体积小，稳定性高，便于与***集成，适用于所有线性调频连续波雷达***。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：其中发射信号通过环形器由天线发射，其特征在于，该对消电路包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器以及第四耦合器、矢量调制器、移相器、放大器、正交混频器、第一差分运算放大器、第二差分运算放大器、第一有源低通滤波器、第二有源低通滤波器、第一加法电路以及第二加法电路。

其中连接关系为：发射信号由第一耦合器的输入端输入，由第一耦合器的直通端输入至所述环形器，第一耦合器的耦合端连接至所述第二耦合器的输入端，第二耦合器的直通端连接至矢量调制器的信号输入端，第二耦合器的耦合端连接至移相器，移相器通过放大器连接至所述正交混频器的本振LO信号输入端，所述环形器中的泄漏信号输入至第三耦合器，第三耦合器的直通端连接至第四耦合器，第三耦合器的耦合端与所述矢量调制器的输出端相连，第四耦合器的直通端连接至接收机，第四耦合器的耦合端连接至所述正交混频器的射频RF信号输入端；正交混频器具有两路输出端，分别为I路差分输出端和Q路差分输出端，其中I路差分输出端顺次连接第一差分运算放大器和第一有源低通滤波器，第一有源低通滤波器的输出端连接至第一加法电路的一个输入端，第一加法电路另一个输入端接入补偿电压；Q路差分输出端顺次连接第二差分运算放大器和第二有源低通滤波器，第二有源低通滤波器的输出端连接至第二加法电路的一个输入端，第二加法电路另一个输入端接入补偿电压；第一加法电路的输出端和第二加法电路的输出端分别连接至所述矢量控制器的两个控制电压端。

进一步地，补偿电压为固定的直流电压信号，补偿电压的确定方法为：测试获得当正交混频器只有LO信号输入，RF端口没有信号输入时，差分运算放大器的输出电压；其中补偿电压与测试获得的输出电压数值相等、符号相反。

进一步地，第一耦合器的耦合度为15dB；所述第二耦合器的耦合度为6dB；所述第三耦合器的耦合度为6dB；所述第四耦合器的耦合度为9dB。

进一步地，有源低通滤波器为二阶有源低通滤波器。

进一步地，加法电路中包括加法器、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄和第五电阻R₅以及第六电阻R_f；

所述加法器的负相输入端通过第二电阻R₂接地，加法器的输出端通过第六电阻R_f和第一电阻R₁接地，负相输入端通过第六电阻R_f连接至加法器的输出端；所述加法器的正向输入端通过第五电阻R₅接地；其中有源低通滤波器的输出端通过第三电阻R₃连接至加法器的正相输入端，源低通滤波器的输出电压信号为V_IN1，补偿电压V_IN2通过第四电阻R₄连接至加法器的正相输入端，其中R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R₅＝R_f，加法器的输出端输出电压V_o＝V_IN1+V_IN2。

有益效果：

本发明的有益效果在于，克服了闭环射频对消电路中混频器本振信号泄露限制对消比这一无法消除的问题。在动态扫频情况下可以使泄露信号降低30dB以上，相对工作带宽大于5％，在泄露信号幅度与相位改变时，能够适应泄露信号的变化，对消比均在30dB以上，而且体积小，稳定性高，便于与***集成，适用于所有线性调频连续波雷达***。

附图说明

图1是本发明提供的线性调频连续波雷达泄漏信号对消电路示意图；

图2是本发明提供的线性调频连续波雷达泄漏信号对消电路中二阶有源低通环路滤波器示意图；

图3是本发明提供的线性调频连续波雷达泄漏信号对消电路中加法电路示意图；

图4是本发明提供的线性调频连续波雷达泄漏信号对消电路对误差电压补偿前与补偿后单频点对消比测试；

图5是本发明提供的线性调频连续波雷达泄漏信号对消电路对误差电压补偿前动态扫频情况下对消比测试；

图6是本发明提供的线性调频连续波雷达泄漏信号对消电路对误差电压补偿后动态扫频情况下对消比测试；

图7是本发明提供的线性调频连续波信号频率从高端到频率低端的时间过渡示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种线性调频连续波雷达泄漏信号对消电路，其中发射信号通过环形器由天线发射，该对消电路包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器以及第四耦合器、矢量调制器、移相器、放大器、正交混频器、第一差分运算放大器、第二差分运算放大器、第一有源低通滤波器、第二有源低通滤波器、第一加法电路以及第二加法电路；。

图1为本发明所采用的射频对消电路示意图，主要分为两部分：射频对消电路与低频控制电路组成。该对消电路主要由矢量调制器、正交混频器、耦合器、移相器、有源低通滤波器、加法电路构成。这里采用闭环方案，利用加法电路降低了混频器由于本振信号泄漏产生的直流误差电压，是提高对消比的关键。如图1中所示，发射信号通过耦合器1直通端经过环形器由天线发射，由于环形器隔离度在25dB～30dB之间，发射信号从环形器泄漏过来的功率远大于回波信号功率。发射信号经过耦合器1后，进入耦合器2，经过耦合器2的直通端作为矢量调制器的输入信号，经过矢量调制器的调制产生对消信号。耦合器2耦合端输出的信号经过移相器、放大器作为正交混频器的LO信号。没有对消的泄漏信号经过耦合器3直通端，耦合器4耦合端作为正交混频器的RF信号。正交混频器用来检测泄漏信号的幅度与相位。RF信号与LO信号混频完后输出两路差分信号I+、I-、Q+、Q-该差分信号经过差分运算放大器后成为单端的I、Q两路正交直流电压信号，这两路信号经过有源低通滤波及加法电路后，作用于适量调制器。图1中矢量调制器、耦合器3、耦合器4、正交混频频、差分运算放大器、有源环路滤波器(图2)、加法电路(图3)构成了一个闭环的负反馈电路。矢量调制器输出的对消信号在耦合器3的输出端与泄露信号幅度相等，相位相差180°。由于混频器LO信号泄露到RF端口，并且与LO信号自混频产生一个直流信号，该直流信号和RF信号与LO信号混频后的直流信号叠加在一起，对适量调制器来说这是一个误差电压，而且无法消除，最终会影响对消比。这也是所有闭环射频对消电路面临的问题，本发明用一个加法电路来补偿该误差电压的影响。加法电路其中一路输入信号为混频后的I路或Q路直流电压信号，另外一路为一个固定的直流电压信号，该电压的大小可以在正交混频器只有LO信号输入，RF端口没有信号输入时，测试差分运算放大器的输出电压来确定，需要补偿的电压符号与测试的电压值相等符号相反。误差电压补偿前补偿后单频点对消比的对比如图4所示。扫频情况下误差电压补偿前后对消比的对比如图5、图6所示。

在射频对消部分，总共用了4个耦合器，每个耦合器的耦合度及作用都不一样。耦合器1主要作用是将发射信号耦合出适当的功率，耦合度为15dB；耦合器2的作用是将耦合器1耦合出的发射信号再耦合出一路作为正交混频器的LO信号，直通输出信号用来产生对消信号，耦合度为6dB；泄漏信号与对消信号在耦合器3中完成对消，耦合度为6dB；耦合器4的直通端输出有用的回波信号，泄漏信号经过耦合器4的耦合端口，为正交混频器提供RF信号，耦合度为9dB，耦合器4的耦合度不能太小，否则会影响接收信号。在射频对消电路中，如图中的标注所示，通路A、通路B、通路C的时延差必须相等。确保泄漏信号与对消信号的频率差小于环路带宽在低频控制电路，正交混频器输出信号为差分形式，需要将差分信号转化为单路信号，这里使用了差分运算放大器。有源低通滤波器滤除正交混频器输出的杂散信号，并为环路提供一定的增益，环路滤波器的环路带宽决定了有源环路滤波器对泄漏信号变化的跟踪能力，泄漏信号为线性调频连续波，频率从高端到低端的过渡时间大于4us(见图7)。所以环路的响应时间最大为4us。本发明中的环路滤波器为二阶有源低通滤波器。前文分析了混频器LO信号引入的直流误差信号用加法电路来补偿，该加法电路如图3所示。当R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R₅＝R_f时，V_o＝V_IN1+V_IN2，其中V_IN1为正交混频器的输出I路信号或Q路信号，V_IN2为需要补偿的电压。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种线性调频连续波雷达泄漏信号对消电路，其中发射信号通过环形器由天线发射，其特征在于，该对消电路包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器以及第四耦合器、矢量调制器、移相器、放大器、正交混频器、第一差分运算放大器、第二差分运算放大器、第一有源低通滤波器、第二有源低通滤波器、第一加法电路以及第二加法电路；

2.如权利要求1所述的一种线性调频连续波雷达泄漏信号对消电路，其特征在于，所述补偿电压为固定的直流电压信号，补偿电压的确定方法为：测试获得当正交混频器只有LO信号输入，RF端口没有信号输入时，差分运算放大器的输出电压；其中补偿电压与测试获得的输出电压数值相等、符号相反。

3.如权利要求1所述的一种线性调频连续波雷达泄漏信号对消电路，其特征在于，所述第一耦合器的耦合度为15dB；所述第二耦合器的耦合度为6dB；所述第三耦合器的耦合度为6dB；所述第四耦合器的耦合度为9dB。

4.如权利要求1所述的一种线性调频连续波雷达泄漏信号对消电路，其特征在于，所述有源低通滤波器为二阶有源低通滤波器。

5.如权利要求1所述的一种线性调频连续波雷达泄漏信号对消电路，其特征在于，所述加法电路中包括加法器、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄和第五电阻R₅以及第六电阻R_f；

所述加法器的负相输入端通过第二电阻R₂接地，加法器的输出端通过第六电阻R_f和第一电阻R₁接地，负相输入端通过第六电阻R_f连接至加法器的输出端；所述加法器的正向输入端通过第五电阻R₅接地；其中有源低通滤波器的输出端通过第三电阻R₃连接至加法器的正相输入端，有源低通滤波器的输出电压信号为V_IN1，补偿电压V_IN2通过第四电阻R₄连接至加法器的正相输入端，其中R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R₅＝R_f，加法器的输出端输出电压V_o＝V_IN1+V_IN2。