相参变频技术的研究.doc

1、本科生毕业论文(设计) 相参变频技术的研究院系名称姓名学号专业指导教师 年04月15日 摘 要 W 波段相参雷达因其固有的优势被广泛应用在测速、测距和成像之中。雷达频率源本振和发射信号初始相位差对雷达的一维距离像存在巨大的影响。本文从全相参理论出发，分析相参本振对雷达频率源相位噪声的改善以及发射和本振信号的相位差值对雷达一维距离像的影响。根据上述理论分别对 W 波段和 K 波段相参测试实验进行了研究。并且，根据实验结果给出了对相位差值对影响雷达一维距离像影响的修正方法。 在相参方案设计时，分析了相参因子对雷达系统性能的影响并且采用MATLAB 对相参时本振与发射相位差初始值的表现方式进行了分析

2、。根据理论分析分别设计出了 K 波段和 W 波段两套测试组件的方案。 W 波段测试组件设计中，重点对 W 波段四次谐波混频器设计、低噪声滤波放大模块和正交解调模块做详细分析和设计，并对各个模块进行加工测试。K 波段系统主要完成了对双平衡混频器、五倍频链模块和正交解调模块的设计。并对各个模块进行分别地调试和级联调试，重点针对五倍频链的滤波器做详细的设计。最后采用设计的系统分别对待测源的不同频段的初始相位差值做具体的测试和分析并给出补偿方案。 本文工作涉及了相参性对雷达系统影响分析以及硬件电路中的混频技术、低噪声放大、滤波、倍频和正交解调等技术并对部分技术做了详细研究。 关键词：W 波段；相参；捷

3、变频雷达；频率源；相位差 I Abstract Because of its inherent advantages，W band coherent radar have been widely used in speed detection and imaging.But the initial phase difference between local oscillator and transmit signal will greatly impact on the radars one-dimensional range. In this paper, based on the coh

4、erent theory，the improvement of phase noise for coherent radar frequency synthesizers was analysised ，then we simulate the deterioration of one-dimensional range profile causeed by the nonlinear initial phase difference. Based on the coherence analysis and the simulation results，a K-band and W-band

5、coherence measurement modules were done，and the test experiment carried on. Finally one method provided to amendment the fuzzy of one-dimensional range profile caused by the nonlinear phase difference. In order to realize the coherence testing，the theoretical and simulation software were used to ana

6、lysis the impact of coherent factor of phase noise and range profile，then experimental program designed to get the coherent factor and correct method for the one-dimensional range profile of the radar system. The implementation of W-band coherence measurement system is mainly about the W-band fourth

7、 harmonic mixer technology, the low noise amplifier and filter technology and the quadrature demodulation technology. The research on the K-band system is concentrated on the double balance mixer, fivetimes multiplier and the quadrature demodulator. Some components like the harmonic mixer and filter

8、 technology were deeply researched. In short, in this dissertation, a simple way was used to measure the coherence of the radar frequency synthesizer. Including harmonic mixer, double balance mixer,multiplier,low noise amplifier（LNA）,filter and quadrature demodulator are researched. Those technologi

9、es are detailly studied,which might be helpful to further application in microwave and millimeter wave circuits design. Key words: W-band； coherent； frequency agility radar；frequency synthesizer； phase difference 目录 1 引言12 相参测试系统方案研究32.1 相参因子对雷达系统的影响32.1.1 全相参原理32.2 相参测试方案分析72.2.1 测试原理分析73 W波段相参测试组件

10、研究103.1 混频器基本理论103.1.1 毫米波常用 DMK 系列二极管104 相参测试实验研究134.1 W波段相参频率步进信号源134.2 W波段捷变频雷达信号源相参测试144.2.1 W 波段信号相参测试155 结论16 V 1 引言课题研究的背景和意义：早在二次世界大战时候频率捷变雷达就开始出现。六十年代开始有大量的文献关于频率捷变雷达的报告。B.C.custafson、B.O.AS .Philips 和 JB.Brinton 两人在文章中分别对捷变频雷达的性能优势做了详细的剖析813。上世纪八十年代末期的时候，Ming-Chiang Li 文章对相参雷达系统和非相参雷达系统的各个

11、方面从理论上进行了对比分析14。1990 年，James A. Scheer 对相参雷达相参性原理和性能进行了详细的阐述，难得的是他对影响系统性能的各种指标都进行了分析1516。从振荡器的相位噪声、放大器的相位噪声、以及 AD 转换、I/Q 解调等多个方面都进行了详细的分析。之后各种形形色色的相参和非相参雷达系统前端都有了大幅度的发展。 现阶段相参雷达和非相参雷达在 W 波段有广阔的发展势头，并且出现很多市场和科研成果。在 W 波段的雷达系统中，已经有很多系统采用 W 波段的宽带频率源来实现高分辨成像，如 95GHz 的相参雷达(HIPCOR-95)17和 FGAN 公司的MEMPHIS18。

12、其中 HIPCOR-95 具有两种工作模式：当使用行波管放大器时，能够实现 80 W 峰值功率输出并具有 2 GHz 的工作带宽；当使用速调管放大器时，具有 1 kW 的脉冲峰值功率和 350 MHz 的带宽。而 MEMPHIS 具有 35 GHz 和 94 GHz 两种输出频率。当输出频率为 94 GHz 时，具有 700 W 的峰值功率和 800 MHz 的带宽。另外，ProSensing 公司的 W 波段全固态 FMCW 气象雷达，能够实现 1m 的距离分辨19。电子科技大学的吴涛通过 DDS+PLL+倍频的方式实现 W 波段低相噪毫米波捷变频率源，其相位噪声在偏离载波 10 kHz 位

13、置处优于90 dBc/Hz，杂散优于 70dBc，且有较好的捷变频时间20。 虽然各种相参和非相参系统都有了进一步的发展，并且越来越多的设计者意识到相参性对系统的性能有着相当大的影响，并且相参的系统对后续的回波信号处理具有相当大的优势，尤其是采用多普勒频移测速的雷达系统，对多普勒频率漂移能够更加精确的测量。但是，并未发现很多的关于系统的相参性进行测试和分析的文献报道。相关的报道大多数是以数学处理上的阿伦方差21来表现相参的，或则都是用复杂的仪器进行分析处理的。 2000 年，电子科技大学的吴正德团队研制 3mm 波相参脉冲发射组件时对系统相参性进行了分析。分析认为相参脉冲发射组件的相参特性是极

14、为重要的电气指标。在国内目前还尚未建立完善的 3mm 波脉冲信号相参特性测试系统的情况下，将 3mm 波相参脉冲发射组件直接应用到雷达样机中，从视频 IQ 端直接观测目标回波脉冲波形实验中，观测到当相参发射组件工作时，其 IQ 端输出脉冲波形质量良好、工作稳定22。 2002 年，周琳，杨绍全的一篇文献对 PD 雷达识别中的相参性检测进行了相当量的理论分析和方案介绍，但是没有给出具体的实际测量。其给出了三种对相参性进行分析测量方法，分别为单信道和多信道识别方法以及时域分析法23。 2008 年泰克公司工程师张鹏对脉冲雷达的相参性进行了理论分析和方案介绍，并且通过实时频谱仪对相参性进行了方案组建和实际的测试24。 W 波段相参频率源的相参性能好坏直接与雷达回波信号的相位初始差值有明确的联系，直接影响目标距离像。影响雷达相参性除了结构外还有很多因素会对相参雷达造成巨大影响。所有的雷达本身的热噪声是影响因素之一，另外雷达的本振相位噪声，放大器的附加相位噪声，时钟抖动，A/D 量化误差，I/Q 解调的两路正交信号的幅度波动、相位不平衡等都会影响雷达相参性。雷达频率源的相参性对系统影响的重要性是值得做进一步的研究的。