1 引 言
毫米波">的工作頻率介于微波和光之間,，毫米波雷達(dá)比微波雷達(dá)體積小、重量輕,、波速窄,、帶寬大、抗干擾能力強(qiáng),；比紅外或激光傳感器氣象適應(yīng)性好,，所以它是繼激光、紅外之后電磁頻譜利用中的一枝新秀,。以前毫米波雷達(dá)的應(yīng)用受到器件,，尤其是有源器件功率不高的限制，使它難以在末制導(dǎo)以外的領(lǐng)域發(fā)揮作用,。然而今非昔比,，20世紀(jì)90年代第二階段的微波毫米波集成電路規(guī)劃取得重大突破后，大功率毫米波功率源,、介質(zhì)天線,、集成天線、低噪聲接收機(jī)芯片等相繼問世，使毫米波雷達(dá)發(fā)生了更新?lián)Q代的變革,，并且大大拓寬了它的應(yīng)用領(lǐng)域,。
2 毫米波雷達(dá)前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
利用偽隨機(jī)編碼信號(hào)良好的自相關(guān)特性，低距離副瓣,，獲得高的測(cè)量精度和距離分辨率,。同時(shí)利用正弦波調(diào)頻信號(hào)體制的回波信號(hào)功率為距離函數(shù)的特點(diǎn)來(lái)有效地抑制近區(qū)雜波干擾。圖1為采用偽隨機(jī)編碼調(diào)相和正弦波調(diào)頻這兩種連續(xù)波信號(hào)的復(fù)合調(diào)制體制框圖,。
16 GHz高頻振蕩器產(chǎn)生16 GHz±10 MHz微波振蕩信號(hào),，經(jīng)正弦調(diào)制后信號(hào)送到調(diào)相器，進(jìn)行隨機(jī)編碼調(diào)相,。調(diào)相后的信號(hào)通過功分器,，一部分放大后由發(fā)射天線輻射出去，另一部分泄漏信號(hào)加到信號(hào)混頻器,。經(jīng)天線輻射出去的射頻信號(hào)照射到目標(biāo)后,，目標(biāo)反射的回波信號(hào)由天線接收，回波信號(hào)送到信號(hào)混頻器與泄漏信號(hào)混頻并濾除高頻信號(hào),，得到視頻信號(hào),。視頻信號(hào)放大后經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理就可以送到耳機(jī)從而直接監(jiān)聽目標(biāo)運(yùn)動(dòng)情況、速度和狀態(tài),。
如圖1所示,，雷達(dá)前端系統(tǒng)的主要組成部分有振蕩器、0／π調(diào)相器,、功率放大器以及混頻器,。
2.1 介質(zhì)振蕩器
介質(zhì)振蕩器采用如圖2所示的GaAs場(chǎng)效應(yīng)管介質(zhì)反饋型振蕩器。GaAs場(chǎng)效應(yīng)管介質(zhì)反饋型振蕩器可以采用漏極輸出或源極輸出兩種方式,，為了獲得盡可能大的輸出功率,，選用漏極輸出、源極直接接地的形式,。
通常選用的介質(zhì)振蕩器模式有TE01δ模,、TM01δ模和HE11δ模，但在與微帶耦合時(shí)一般選用TE01δ模,，因?yàn)槠潆姶艌?chǎng)是圓對(duì)稱的,，與微帶耦合非常方便，而且振蕩模式穩(wěn)定,。本文選用圓柱形介質(zhì)諧振器,，其直徑D=3.423 mm，高度h=2.28 mm,。參數(shù)為：f=16 GHz,，εr=40,。實(shí)際電路中，在諧振器與微帶基片之間墊入一低介電常數(shù),、低損耗的介質(zhì)片,，用來(lái)減少微帶基片和金屬接地板對(duì)諧振器Q值和溫度性能的影響。
2.2 0／π調(diào)相器
0／π 調(diào)相器采用開關(guān)線調(diào)相器,。開關(guān)線調(diào)相器的電原理圖如圖3所示,。L1，L2是兩條長(zhǎng)度不同的微帶傳輸線(或者是其他任意微波傳輸線),，D1,，D2，D3,，D4是4只性能一致的PIN二極管,。當(dāng)兩邊二極管互補(bǔ)偏置時(shí)，二極管D1,，D2導(dǎo)通時(shí),，D3，D4處在截止?fàn)顟B(tài),，載頻信號(hào)經(jīng)L1 傳輸,。反之，D1,，D2截止時(shí),，D3，D4處在導(dǎo)通狀態(tài),，載頻信號(hào)經(jīng)L2傳輸,。很顯然，由于L1和L2長(zhǎng)度不同,，因而引起相移作用,。
設(shè)較短的路徑為L(zhǎng)1，較長(zhǎng)的路徑為L(zhǎng)2,。則調(diào)相相位為：
2.3 功率放大器
如圖1所示，介質(zhì)振蕩器產(chǎn)生16 GHz±10 MHz的振蕩信號(hào)為6～9 dBm,，為了確保信號(hào)能傳輸取最小值進(jìn)行設(shè)計(jì),。6 dBm的信號(hào)經(jīng)過隔離器損耗1 dBm，又經(jīng)過0／π調(diào)相器損耗1 dBm,，得到4 dBm的信號(hào),。4 dBm信號(hào)經(jīng)過3 dBm的功分器，進(jìn)入功率放大器的信號(hào)只剩下1 dBm,，要得到17 dBm的發(fā)射信號(hào),，功率放大器至少要放大18 dBm左右,。通過選擇適當(dāng)?shù)姆糯蠊茏樱O(shè)計(jì)一定的放大器電路,，最終能達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的性能指標(biāo),。
2.4 信號(hào)混頻器
信號(hào)混頻器采用如圖4所示的雙平衡混頻器。
此電路的特點(diǎn)是本振和信號(hào)電壓分別通過平衡——不平衡變換器加到二極管上,，這種變換器簡(jiǎn)稱巴倫,，用巴倫代替了定向耦合器及高低頻短路線等，展寬了工作頻帶,。信號(hào)與本振功率分別通過巴倫加到二極管電橋的兩個(gè)對(duì)角線上,。只要四只二極管性能完全相同，電橋保證平衡,，則信號(hào)與本振端口之間就可以完全隔離,。同時(shí)二極管電橋又為二極管提供了高低頻和直流通路。
這種混頻器具有如下的長(zhǎng)處：雙平衡混頻器隔離度高,；動(dòng)態(tài)范圍大,；雙平衡混頻器是寬帶混頻器。
3 結(jié) 語(yǔ)
經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研究,，已經(jīng)研制出了一個(gè)滿足要求毫米波雷達(dá)前端系統(tǒng),。該系統(tǒng)采用如圖1所示的毫米波雷達(dá)前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖，工作頻率為16 GHz,，在常溫下頻率偏移小于等于10 MHz,，輸出功率Po≥45 mW，相位噪聲≤-70 dBc／Hz／10 kHz,。0／π調(diào)相器在750 kHz對(duì)稱方波下,，常溫載波抑制≤-25 dB。