CN218412928U - 一种改进型主动式人体安检成像***的毫米波收发前端 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及毫米波技术领域，更具体而言，涉及一种改进型主动式人体安检成像***的毫米波收发前端。包括Ka波段的毫米波收发天线阵列，Ka波段的毫米波收发开关网络，Ka波段的毫米波收发机模块以及二次电源模块；毫米波收发开关网络用于连接毫米波收发天线阵列和毫米波收发机模块，天线阵列根据***使用优化重新设计，增加独特的天线隔离结构，毫米波收发机从结构和电路进行了整体的合理优化改进，提高性能指标。一级开关采用新的芯片工艺和结构设计，二级开关网络采用收发一体的结构和电路设计。二级电源模块和原有的电源分配板进行了整合设计，便于装配和走线。***装调简便，指标提高，并且降低了成本，具有更高的产业化优势。

Description

一种改进型主动式人体安检成像***的毫米波收发前端

技术领域

本实用新型涉及毫米波技术领域，更具体而言，涉及一种改进型主动式人体安检成像***的毫米波收发前端。

背景技术

毫米波收发前端是毫米波安检成像***的核心设备，目前毫米波成像技术已成为一种新型的主流安检技术手段。随着半导体技术取得长足的发展，国内外半导体公司毫米波芯片的商业化，毫米波芯片成本大幅下降，并且有更多选择的器件和工艺，针对目前的安检成像设备的实验、测试及小批量生产的验证后，对安检***的架构优化及各分***的优化改进形成了新的方案，尤其毫米波安检成像***的核心设备毫米波收发前端。毫米波收发前端采用的雷达体制、方案、模块化、指标优化、结构优化、电气优化对毫米波安检成像***有质的升级提高。并且在现有技术的基础上的技术升级，对于产业化、成本、国产化都有很大的提升。毫米波收发前端设备的升级改进依据目前此类设备的技术水平、工艺、器件、装配条件、测试及可靠性的验证，进行架构升级和模块升级，主要包含：天线阵列的优化设计工艺，天线的收发隔离度，天线阵列的单元数量。开关网络新器件及新工艺，二级网络开关采用收发一体的电气和控制结构，一级网络开关根据单元和器件工艺设计优化，开关相关指标满足设备要求，成本有效控制。收发机模块采用了高低频、控制和射频分置的设计方案，有效的提高了信号指标参数和可靠性。电源供电模块整合设计，减少装配复杂程度，更具生产效率。

作为人体安检成像***的重要组成部分，毫米波收发前端的改进优化是提高人体安检成像***的指标的核心设备，也是此产品的研发改进的重点，对于人体安检***的技术指标、成本、可靠性、工艺装配、维修性具有关键决定性作用，通过***架构的改进和各分***模块的优化设计，满足技术及相关的综合要求。达到技术实现的最优解。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种改进型主动式人体安检成像***的毫米波收发前端，包括，

Ka波段的毫米波收发天线阵列优化设计，采用收发天线阵列隔离设计，收发天线阵列间距为25mm，金属格栅分割隔离，所述毫米波收发天线阵列包括发射天线阵列和接收天线阵列，所述发射天线阵列至少包含一个由16个发射单元组成的发射天线子阵列，所述接收天线阵列至少包含一个由16个接收单元组成的发射天线子阵列；

Ka波段的毫米波收发开关网络，一级开关采用收发分置方案，二级开关采用收发一体方案，收发一体开关网络兼容毫米波电路和数字控制开关电路，一级开关通道12路，二级开关16路；

Ka波段的毫米波收发机模块,采用频踪模块和收发组件分置的设计方案，高频和低频分开设计，控制和射频独立设计；

电源模块,电源直接输出相关模块需要的电源供电需求；

所述毫米波收发开关网络用于连接毫米波收发天线阵列和毫米波收发机模块。

优选的，所述发射天线阵列包括由12个发射天线子阵列组成的一维均匀直线阵；所述接收天线阵列包括由12个接收天线子阵列组成的一维均匀直线阵。

优选的，所述毫米波收发开关网络分为发射开关网络和接收开关网络，所述发射开关网络和接收开关网络均由2级开关网络组成。

优选的，所述发射开关网络由具有1个单刀十二掷开关SP12T的发射一级开关网络与12个双刀16掷开关SP16T-Tx级联的发射二级开关网络组成，发射一级开关网络和发射二级开关网络之间通过毫米波同轴电缆连接；接收开关网络由具有1个单刀十二掷开关SP12T的接收一级开关网络与具有12个单双刀十六掷开关SP16T-Rx级联的接收二级开关网络组成，接收一级开关网络和接收二级开关网络之间通过毫米波同轴电缆连接。

优选的，所述毫米波收发机模块通过发射开关网络连接发射天线阵列,所述接收天线阵列经接收开关网络的切换后，顺序接收目标后向散射的回波信号进入毫米波收发机模块。

优选的，所述电源模块输入﹢12V，输出﹢5V、-5V多路，供给毫米波收发开关网络和毫米波收发机模块。

优选的，所述发射单元之间的间距为1倍的毫米波波长，所述接收单元之间的间距为1倍的毫米波波长。

优选的，所述发射天线阵列和接收天线阵列相互平行，发射天线阵列和接收天线阵列间距约为2.5倍的毫米波波长，且两者沿着阵列排布方向相错0.5 倍的毫米波波长。

优选的，所述毫米波收发机模块由频踪模块和收发组件两个模块组成，

频综模块由频率源、放大器、功分器、解调器、DDS、锁相环、滤波器和倍频滤波部分组成，通过外部控制信号对DDS及锁相环进行触发控制，产生需要的频段频率，并通过功分器分成对应的几路的信号，再对不同输出的信号通过放大滤波解调倍频输出到收发组件或直接输出；

收发机组件由放大器、混频器、正交器、滤波器和倍频器部分组成，通过频踪模块输入的一定频带的射频信号，通过放大滤波、混频正交及倍频得到设计的指标信号，并将信号输出。

优选的，频踪模块和收发组件通过射频线缆连接，信号和电源通过微矩形连接器提供，其中，所述毫米波收发机模块与成像***外部间的接口包括：1路同相位信号I、1路正交信号Q、1路100MHz同步时钟信号以及控制与通信接口；毫米波收发机模块内部即频踪和收发组件之间的接口包括：2路100MHz同步时钟信号、1路中频输入、1路中频输出、1射频输入、1路射频输出、1路本振输入；毫米波收发机模块与毫米波收发前端内部间的接口包括：1路毫米波发射信号、1路毫米波接收信号以及控制与供电接口。

本实用新型与现有技术相比，具有的有益效果是：

1.该改进型的毫米波收发前端采用新的收发机模块、天线阵列、两级开关网络和电源模块。除了性能指标的提升，其结构和电气连接关系简单清晰，通过优化模块与通用化、产业化的设计理念有效地提高了产品的集成度、易于维护与维修，且具有性能稳定可靠、一致性好、性价比高、易于规模化生产等优势。

2.该毫米波收发前端采用发射与接收各自192个通道规模，采用划分16路为1个小规模子阵模块的方式进行多通道模块化集成，并且16路的子阵开关模块次用收发一体的模块设计方案，提高***可拓展性及模块的互换性，***内部的信号互联、模块独立性能测试与模块封装技术继承性好。

3.采用新的开关网络方案，选用更新毫米波开关芯片、驱动芯片、结构和装配工艺，收发一体的电路和结构设计，在满足正常的工作时序要求下，大大降低了***的复杂度和装调难度，具备更加简洁的布局布线，同时对相关性能指标有较大的提升。发射天线阵列和接收天线阵列之间采用一个金属栅格分割，增加收发之间的隔离度，收发天线排布满足采样定律要求。

4.采用频踪和收发组件分开的收发机模块设计方案，频综模块包括：频率源、放大器、功分器、解调器、DDS、锁相环、滤波器和倍频滤波部分组成。收发机模块由放大器、混频器、正交器、滤波器和倍频器部分组成。将高低频分模块进行优化设计，采用新的工艺，以达到宽带和稳频、稳相的技术要求，实现小型化、一体化、低成本、低功耗收发机模块设计。

附图说明

图1为本实用新型的毫米波收发前端组成框图；

图2为毫米波收发天线阵列的布局示意图；

图3为本实用新型的毫米波收发前端工作原理图；

图4为本实用新型的频综模块组成框图；

图5为本实用新型的收发机模块组成框图；

图6为本实用新型的毫米波开关网络总体原理框图；

图7为本实用新型的收、发SP12T开关单元原理框图；

图8为本实用新型的发射SP16T开关单元原理框图；

图9为本实用新型的接收SP16T开关单元原理框图；

图10为本实用新型的毫米波收发前端控制时序。

图中：1－毫米波收发天线阵列，2－毫米波收发开关网络，3－毫米波收发机模块，4－二次电源模块，11－发射天线阵列，12－接收天线阵列，21－发射开关网络，22－收发二级开关网络，211－发射一级开关网络，212－接收一级开关网络，31－收发机模块的程控板。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，毫米波收发前端由毫米波收发天线阵列1，毫米波收发开关网络2，毫米波收发机模块3，电源模块4组成。其中，毫米波收发天线阵列1分为发射天线阵列11和接收天线阵列12；毫米波收发开关网络2分为收发一级开关网络21和收发二级开关网络22，收发一级开关网络21由具有发射一级开关网络211与接收一级开关网络212组成，而收发二级开关网络22由具有1个双刀十六掷开关SP16T组成。

如图2所示，毫米波发射阵面分为发射天线阵面和接收天线阵面，均为俯仰一维线阵且阵列规模均为192个单元，发射单元依次为T1、T2、……、T192，接收单元依次为R1、R2、……、R192，发射单元依次与相邻的两个接收单元形成等腰三角形交错排列，另外，为了增加收发天线之间的隔离度，发射天线阵列和接收天线阵列之间采用一个金属栅格分割。这样的阵列排布满足了采样定律要求，通过时序控制发射和接收通道的开关。

如图3所示，整个射频前端分***的供电电源是电源模块4进行DC-DC的直流电源变换得到所需的供电种类与供电要求。供电对象包括收发机模块、1个发射12选1开关网络、1个接收12选1开关网络、12个收发一体的16选1开关网络、程控板，均通过绞线与供电对象连接。收发前端分***的控制指令是由成像***通过微矩形连接器进行指令控制，收发前端分***内部控制信号的产生均由收发机模块通过微矩形连接器实现。毫米波收发前端在发射状态下：收发机模块3产生射频调频连续波信号，通过稳幅稳相同轴电缆进入发射12选1开关网络211，再分别通过等长稳幅稳相同轴电缆进入收发一体二级开关网络22的发射16选1开关网络，接着在收发机模块的控制指令和时序通过12个程控板和开关网络按照特定时序打开某一发射通道经由发射天线单元辐射11。接收状态下：对于回波信号的接收，收发机模块的指令和时序控制12个程控板31 和收发开关网络2依次打开发射天线单元相邻的两个接收天线单元，回波信号经由接收天线单元接收并通过收发一体二级开关网络22的接收16选1开关网络选通、低噪声放大，分别通过等长稳幅稳相同轴电缆进入接收12选1开关网络212，再通过稳幅稳相同轴电缆进入收发机模块3射频输入端，在收发机模块内部完成放大、下变频等输出I、Q两路中频信号。

如图4、图5所示，本方案中将频踪模块和收发机模块分开设计，通过线缆连接，模块设计更细化。频综模块由频率源、放大器、功分器、解调器、DDS、锁相环、滤波器和倍频滤波部分组成。收发机模块由放大器、混频器、正交器、滤波器和倍频器部分组成。频综模块主要产生收发模块所需要的本振信号；收发机主要用于产生成像设备各功能需要的信号，包括发射激励信号、同步信号，接收回波信号，进行信号的放大、混频、滤波等处理，频综/中频接收机模块工作原理为：73功分三路，其中一路经过放大滤波以后经过77输出两路正交信号并经过74和75输出53和54两正交信号，用来做中频接收机下变频的本振信号；第二路经过衰减、放大功分之后分别作为采集器的参考信号52和发射链路的本振信号51；第三路经过衰减放大之后给78作参考信号，78输出的信号给 80当时钟，80在FPGA控制下，输出扫频信号，该信号经过滤波、放大、四倍频输出本振信号55。阵列模块复位信号、线性调频源控制信号、阵列模块控制信号为外部输入到频综的FPGA。根据固定时序，产生192路收发开关的控制信号。由于192路收/发控制信号均采用并口控制。收发机模块主要由三大部分组成：高频本振部分﹑高频发射部分以及高频接收部分；高频本振部分主要是要将频综/中频接收机模块提供的本振信号55通过82四倍频到射频信号，并通过 82分别给高频接收和发射部分的86用来高频本振信号。高频发射部分将频综将频综/中频接收机模块提供的输出信号51与一路高频本振信号进行了混频与放大，最终输出了射频信号。高频接收部分主要完成对微弱回波信号57的低噪声放大并与另一路高频本振信号在84中进行混频至中频信号，并在87中做了进一步的滤波放大处理。

如图6-9所示，收发一体开关网络兼容毫米波电路和数字控制开关电路。其中，毫米波电路主要是开关选择电路及低噪声放大电路，二数字控制开关电路主要是对收发模块的逻辑控制信号进行差分转单端接口转化及逻辑译码和PIN驱动生成。收发一体开关网络将发射激励信号通过开关切换送到192个天线单元辐射出去，同时将192个接收天线单元接收到的回波信号，按照一定的时序，通过开关选通送至收发机模块进行下边频处理和分析。射频开关网络电路分为发射开关网络电路和接收开关网络电路，分别对应天线阵列发射和接收通道。原理上通过两级开关实现192选1功能，一级开关网络电路如图7所示，由接收12选1、发射12选1开关网络电路组成，二级开关网络电路如图8和9 所示，收发一体16选1开关网络由发射SP16T和接收SP16T组成，前端整体开关网络部分由一组一级开关网络模块和十二个二级开关网络模块组成。其中，单刀十二掷开关由4个SP4T、1个SP3T级联而成为一个整体功能模块。用于实现输入毫米波信号的12路通道快速选通切换功能；双刀十六掷开关由1个发射单刀十六掷开关和1个接收单刀十六掷开关组成。其中，SP16T-Tx模块和 SP16T-Rx模块在结构上为一有机整体，且两者共用控制电路部分、共用控制与供电接口。SP16T-Tx模块用于实现所馈入毫米波激励信号的功率放大、16路通道快速选通切换等功能；SP16T-Rx模块用于实现所接收毫米波回波信号的16路通道快速选通切换、低噪声放大等功能；

如图10所示，毫米波收发天线阵列1与毫米波收发开关网络2通道数目一一对应，实现收发电子切换的逻辑关系是：通过TLL控制信号控制毫米波收发开关网络2的发射开关网络21导通毫米波收发天线阵列1的发射天线阵列11 中的第1个发射单元天线T1，向被检测体发射毫米波信号；同时，TLL控制信号控制毫米波收发开关网络2的接收开关网络22顺序导通毫米波收发天线阵列 1的接收天线阵列12中的第1个接收单元天线R1和第2个接收单元天线R2，从而实现了一个发射周期内的单天线发射，相邻两天线接收的“一发两收”功能，以此类推完成所有通道的顺序切换。

上面仅对本实用新型的较佳实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改进型主动式人体安检成像***的毫米波收发前端，其特征在于：包括，

Ka波段的毫米波收发天线阵列(1)优化设计，采用收发天线阵列隔离设计，收发天线阵列间距为25mm，金属格栅分割隔离，所述毫米波收发天线阵列(1)包括发射天线阵列(11)和接收天线阵列(12)，所述发射天线阵列(11)至少包含一个由16个发射单元组成的发射天线子阵列，所述接收天线阵列(12)至少包含一个由16个接收单元组成的发射天线子阵列；

Ka波段的毫米波收发开关网络(2)，一级开关采用收发分置方案，二级开关采用收发一体方案，收发一体开关网络兼容毫米波电路和数字控制开关电路，一级开关通道12路，二级开关16路；

Ka波段的毫米波收发机模块(3),采用频踪模块和收发组件分置的设计方案，高频和低频分开设计，控制和射频独立设计；

电源模块(4),电源直接输出相关模块需要的电源供电需求；

所述毫米波收发开关网络(2)用于连接毫米波收发天线阵列(1)和毫米波收发机模块(3)。

2.根据权利要求1所述一种改进型主动式人体安检成像***的毫米波收发前端,其特征在于：所述发射天线阵列(11)包括由12个发射天线子阵列组成的一维均匀直线阵；所述接收天线阵列(12)包括由12个接收天线子阵列组成的一维均匀直线阵。

3.根据权利要求1所述一种改进型主动式人体安检成像***的毫米波收发前端,其特征在于：所述毫米波收发开关网络(2)分为发射开关网络(21)和接收开关网络(22)，所述发射开关网络(21)和接收开关网络(22)均由2级开关网络组成。

4.根据权利要求3所述一种改进型主动式人体安检成像***的毫米波收发前端,其特征在于：所述发射开关网络(21)由具有1个单刀十二掷开关SP12T的发射一级开关网络(211)与12个双刀16掷开关SP16T-Tx级联的发射二级开关网络(212)组成，发射一级开关网络(211)和发射二级开关网络(212)之间通过毫米波同轴电缆连接；接收开关网络(22)由具有1个单刀十二掷开关SP12T的接收一级开关网络(221)与具有12个单双刀十六掷开关SP16T-Rx级联的接收二级开关网络(222)组成，接收一级开关网络(221)和接收二级开关网络(222)之间通过毫米波同轴电缆连接。

5.根据权利要求1所述一种改进型主动式人体安检成像***的毫米波收发前端,其特征在于：所述毫米波收发机模块(3)通过发射开关网络(21)连接发射天线阵列(11)，所述接收天线阵列(12)经接收开关网络(22)的切换后，顺序接收目标后向散射的回波信号进入毫米波收发机模块(3)。

6.根据权利要求1所述一种改进型主动式人体安检成像***的毫米波收发前端,其特征在于：所述电源模块(4)输入﹢12V，输出﹢5V、-5V多路，供给毫米波收发开关网络(2)和毫米波收发机模块(3)。

7.根据权利要求1所述一种改进型主动式人体安检成像***的毫米波收发前端,其特征在于：所述发射单元之间的间距为1倍的毫米波波长，所述接收单元之间的间距为1倍的毫米波波长。

8.根据权利要求1所述一种改进型主动式人体安检成像***的毫米波收发前端,其特征在于：所述发射天线阵列和接收天线阵列相互平行，发射天线阵列和接收天线阵列间距约为2.5倍的毫米波波长，且两者沿着阵列排布方向相错0.5倍的毫米波波长。

9.根据权利要求1所述一种改进型主动式人体安检成像***的毫米波收发前端,其特征在于：所述毫米波收发机模块(3)由频踪模块和收发组件两个模块组成，

频综模块由频率源、放大器、功分器、解调器、DDS、锁相环、滤波器和倍频滤波部分组成，通过外部控制信号对DDS及锁相环进行触发控制，产生需要的频段频率，并通过功分器分成对应的几路的信号，再对不同输出的信号通过放大滤波解调倍频输出到收发组件或直接输出；

收发机组件由放大器、混频器、正交器、滤波器和倍频器部分组成，通过频踪模块输入的一定频带的射频信号，通过放大滤波、混频正交及倍频得到设计的指标信号，并将信号输出。

10.根据权利要求9所述一种改进型主动式人体安检成像***的毫米波收发前端,其特征在于：频踪模块和收发组件通过射频线缆连接，信号和电源通过微矩形连接器提供，其中，所述毫米波收发机模块(3)与成像***外部间的接口包括：1路同相位信号I、1路正交信号Q、1路100MHz同步时钟信号，以及控制与通信接口；毫米波收发机模块(3)内部即频踪和收发组件之间的接口包括：2路100MHz同步时钟信号、1路中频输入、1路中频输出、1射频输入、1路射频输出、1路本振输入；毫米波收发机模块(3)与毫米波收发前端内部间的接口包括：1路毫米波发射信号、1路毫米波接收信号，以及控制与供电接口。

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