0 引言

    采用被動毫米波成像技術(shù)的設(shè)備具有全天候,、全天時工作的優(yōu)勢。毫米波能穿透衣物,，在安防領(lǐng)域,，通過毫米波被動成像技術(shù)，可以實現(xiàn)對隱匿武器的檢測^[1-4],。復相關(guān)器是毫米波被動成像系統(tǒng)^[5-6]的核心器件之一,，復相關(guān)器的恰當設(shè)計是系統(tǒng)實現(xiàn)良好性能的重要保障，其實現(xiàn)方法分為模擬相關(guān)和數(shù)字相關(guān)兩種,。采用數(shù)字相關(guān)器可以達到高頻譜分辨率,，還可以方便地得到大范圍的時延，適合工作于通道數(shù)量多的系統(tǒng),。但是數(shù)字相關(guān)器在將模擬信號進行量化時具有量化誤差,，因此，其靈敏度低于模擬復相關(guān)器,。模擬復相關(guān)器靈敏度高,，具有更寬的工作帶寬^[7-10]。本文介紹一種模擬復相關(guān)器,，該復相關(guān)器可測量兩路信號的相關(guān)值,，采用數(shù)字控制調(diào)節(jié)信號的增益與偏置，具有更強的靈活性和更好的一致性,。

1 加法型模擬復相關(guān)器的設(shè)計方案

    本復相關(guān)器設(shè)計指標：工作頻率1.5 GHz～2.5 GHz,，在1 GHz帶寬內(nèi)輸出幅度變化不超過1.5 dB，相位反演誤差不超過5°,。復相關(guān)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    該復相關(guān)器采用一種加法型復相關(guān)器結(jié)構(gòu)^[11-12],。復相關(guān)電路由功分器與90°混合耦合器組成的射頻移相網(wǎng)絡(luò),、檢波二極管、低通濾波器以及差分放大器組成,。射頻移相網(wǎng)絡(luò)由3個90°混合耦合器,、1個功分器組成。信號經(jīng)過射頻移相網(wǎng)絡(luò),，分別得到含有實部相關(guān)信息和虛部相關(guān)信息的信號,。檢波二極管對每一路射頻信號進行平方律檢波,。低通濾波器濾除信號檢波后無用的高頻成分，只保留直流成分,。最后,，對直流信號進行放大，并對輸出信號進行AD采樣,，采樣后將包含實部信息的兩路信號作差,，包含虛部信息的兩路信號作差，得到實部與虛部的相關(guān)值,。

    圖1中的兩路輸入信號的電壓可以表示為：

其中,，G是放大器的增益，K是二極管檢波靈敏度,。因為V_real是實相關(guān)結(jié)果,，V_imag與實相關(guān)結(jié)果正交^[13]。因此該方案可以實現(xiàn)計算兩路信號復相關(guān)值的功能,。

2 數(shù)字控制復相關(guān)器的增益與偏置方案設(shè)計

    在系統(tǒng)應(yīng)用過程中,，采取數(shù)字控制方案調(diào)整復相關(guān)器實部與虛部輸出信號的增益與偏置，該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示,。

    放大器的增益與偏置分別由與其連接的數(shù)控電位器(digital potentiometer,，digipot)的電阻值決定。選用的digipot芯片可以通過SPI通信協(xié)議接收MCU發(fā)送來的指令,，從而改變接入電路的電阻值,，也就改變了放大器的增益與偏置。硬件控制部分以MCU為核心,， MCU將上位機發(fā)送來的指令進行處理,，并發(fā)送給與指令地址對應(yīng)的digipot芯片。

    數(shù)字控制方案軟件設(shè)計包括用戶界面主程序,、MCU控制程序,、串口通信程序、自動調(diào)節(jié)增益與偏置程序,、手動調(diào)節(jié)增益與偏置程序,、AD采集程序與數(shù)據(jù)存儲程序等。其整體程序流程如圖3所示,。

3 數(shù)字控制復相關(guān)器的增益與偏置方案設(shè)計

3.1 復相關(guān)器的硬件實現(xiàn)

    考慮到系統(tǒng)集成,，該模擬復相關(guān)器分為復相關(guān)模塊與數(shù)字控制模塊。復相關(guān)模塊包括射頻移相網(wǎng)絡(luò),、檢波電路與放大電路,，數(shù)字控制模塊包括MCU及其外圍電路、串口通信電路與將輸出的單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號的電路,。

    該復相關(guān)器工作帶寬為1.5 GHz～2.5 GHz,，應(yīng)用于被動毫米波成像系統(tǒng),，設(shè)計時需要盡可能使體積減小，成本降低,，同時滿足其在1 GHz帶寬內(nèi)輸出幅度變化不超過1.5 dB,，相位反演誤差不超過5°的設(shè)計要求。射頻移相網(wǎng)絡(luò)通過分立表貼器件實現(xiàn),，以減小電路板尺寸,。電路板頂層與底層都放置器件，以最大限度地利用空間,。

    檢波二極管芯片選用AVAGO的HSMS-285x系列,，該芯片具有一致性較好的2個通道，且無偏置,，檢波靈敏度高,，因此是較理想的選擇。低通濾波器采用RC低通濾波器,，截止頻率為1 MHz,。為保證增益與偏置電壓調(diào)節(jié)精度，數(shù)控電位器選用Analog Devices的AD526x系列,，該系列支持SPI,、I²C通信該系列芯片將總阻值分為256個可調(diào)節(jié)檔位，最大容差為8%,，保證了所需調(diào)節(jié)精度,。最終實現(xiàn)的調(diào)節(jié)精度為：第一級放大器偏置步進量0.2 V，第二級放大器偏置步進量10 mV,。

    系統(tǒng)應(yīng)用中,， 8個通道集成在一起，其增益與偏置由1個數(shù)控模塊進行控制,，結(jié)構(gòu)圖如圖4所示,。

3.2 點頻測試

    為驗證復相關(guān)器的功能，并測試其在工作帶寬內(nèi)的幅度變化與其等效相關(guān)帶寬,，需要對其進行點頻測試,，系統(tǒng)框圖如圖5所示。測試中,，通過改變移相器的移相值,，在IF端口得到兩路相位差在0°～360°變化的信號。

    在中心頻率2 GHz下模擬復相關(guān)器的輸出如圖6所示,。在0°～360°內(nèi)，實部輸出電壓值V_real,、虛部輸出電壓值V_imag曲線符合余弦正弦函數(shù)規(guī)律,，實部輸出信號與虛部輸出信號正交,，實現(xiàn)了兩路信號的互相關(guān)運算功能。以(V_real,，V_imag)為坐標,，畫出測試數(shù)據(jù)所對應(yīng)的點，這些點組合成一個復相關(guān)圓,，測試點與復相關(guān)圓的擬合程度越高,，復相關(guān)器的工作性能越接近于理想狀態(tài)。輸入功率為-16 dBm時復相關(guān)圓如圖7所示,。圖中的點為實測數(shù)據(jù),，圖中的圓為各實測數(shù)據(jù)點通過最小二乘法得到的擬合圓^[14]。根據(jù)非線性回歸方程擬合優(yōu)度計算公式^[15]計算出實測數(shù)據(jù)與復相關(guān)圓的擬合優(yōu)度,。擬合圓的圓心偏置及擬合度見表1,。復相關(guān)器在1.5 GHz～2.5 GHz范圍內(nèi)的輸出幅度變化如圖8所示。

    由圖表易得,，輸出信號與相關(guān)圓的擬合度均在0.96以上,，擬合度較好。圖7中不同頻率下的復相關(guān)圓的圓心有偏移,，這是由射頻移相網(wǎng)絡(luò)與檢波二極管在不同頻率下的特性差異造成的,。復相關(guān)器在2 GHz下相位反演誤差為1.615 9°。在1.5 GHz～2.5 GHz的工作帶寬內(nèi),，復相關(guān)器的輸出幅度變化不超過1.5 dB,，等效相關(guān)帶寬為0.905 4 GHz，滿足設(shè)計指標的要求,。

3.3 寬帶測試

    為評估模擬復相關(guān)器在實際系統(tǒng)應(yīng)用中的工作性能,，對模擬復相關(guān)器進行寬帶噪聲信號測試。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示,。改變可變衰減器的衰減值,，輸入到復相關(guān)器的信號功率也隨之改變。本實驗在不同輸入功率下測試復相關(guān)器的工作性能,。

    得到的相關(guān)圓測試結(jié)果如圖10所示,。相關(guān)圓的圓心偏置與擬合度見表2。反演相位的均方根誤差如圖11所示,。由圖表易得,，復相關(guān)圓的圓心偏置均在0.1以下，擬合度均在0.96左右,，擬合程度較好,。反演相位的均方根誤差均在2.5°以內(nèi)，符合系統(tǒng)5°以內(nèi)的指標要求,。

3.4 信噪比測試

    該復相關(guān)器應(yīng)用于被動毫米波成像系統(tǒng)中,，為探究不同輸入功率對復相關(guān)器輸出信號的信噪比影響,，搭建系統(tǒng)進行實驗。測試系統(tǒng)框圖如圖12所示,。

    由于系統(tǒng)成像應(yīng)用情景下信號相關(guān)性很小,，因此在測試過程中將噪聲源斷電，來滿足弱相關(guān)性的條件,。矢量調(diào)制器控制兩路本振信號的相位差在0°～360°等步進變化,，從而使中頻信號IF1與IF2的相位差在0°～360°改變。通過調(diào)整功率補償模塊的衰減值,，改變輸入到復相關(guān)器的信號功率,，以對比相關(guān)器在不同輸入功率下的信噪比。實驗測試了-13 dBm,、-16 dBm,、-19 dBm輸入功率下復相關(guān)器的信噪比。

    設(shè)第k個相位點處第i個數(shù)據(jù)為r_i,，i=1,，2，3,，……,，1 280；k=1,，2,，3，…,，8,，則可以計算該相位點所有數(shù)據(jù)的標準差：

    容易得出，比值結(jié)果R_k反映了噪信比大小,，其值越小越好,。為了更直接地顯示各功率下信噪比，將R_k轉(zhuǎn)換成信噪比,，數(shù)據(jù)見表3,。C1～C3是數(shù)控可調(diào)復相關(guān)器的編號。從表3易得出結(jié)論,，同一種復相關(guān)器在功率較大時,，信噪比也較高。

4 結(jié)論

    該加法型模擬復相關(guān)器通過1.5 GHz～2.5 GHz射頻移相網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實部,、虛部相關(guān)值的測量,。數(shù)控增益與偏置方案的設(shè)計，使對輸出信號增益與偏置的控制便利且精確，增益步進量30 mV,，第一級放大器偏置步進量0.2 V,，第二級放大器偏置步進量10 mV。寬帶測試下相位反演精度在2.5°以內(nèi),，在1 GHz工作帶寬內(nèi)幅度變化不超過1.5 dB，等效相關(guān)噪聲帶寬達到0.905 GHz,。且信噪比在檢波二極管工作范圍內(nèi),，隨著輸入功率增大而增大。

    通過進一步優(yōu)化射頻移相網(wǎng)絡(luò)的傳輸線,，可以得到更精確的相位反演精度,。為得到更高信噪比，在檢波二極管的工作范圍內(nèi),，應(yīng)盡可能提高輸入功率,。

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作者信息：

辛  心，王  超,，胡岸勇,，苗俊剛

（北京航空航天大學 微波感知與安防應(yīng)用北京市重點實驗室，北京100191）