（电子科学与技术专业论文）p波段瞬态极化雷达射频分系统研制.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t i n s t a n t a n e o u sp o l a r i z a t i o nr a d a rh a st h ee x t r e m e l yi m p o r t a n tm i l i t a r yv a l u ei n t e r m so ft h ei m p r o v e m e n to ft h ed e t e c t i v ep e r f o r m a n c ea n dp e r c e p t u a lc a p a c i t yi nt h e c o m p l e xs i t u a t i o no fw a r ，雒w e l la st h ea s p e c to fa n t i - ja m m i n g ，a n t i d i s g u i s i n ga n d a n t i l o w - a l t i t u d e - p e n e t r a t i o n t h e r f s u b s y s t e m i sac r i t i c a le l e m e n ti n t h e i n s t a n t a n e o u sp o l a r i z a t i o nr a d a rs y s t e m ，t h em a j o rf u n c t i o no fw h i c hi st od e t e c tt h e s c a t t e r i n gp r o p e r t yo fr a d a rt a r g e t ，a tt h es a m et i m em e a s u r i n gt h ef o u rp a r a m e t e r so f t h ep o l a r i z a t i o ns c a t t e r i n gm a t r i xo ft h et a r g e t 1 1 1 et h e s i su n d e r t a k e sr e s e a r c h ，c e n t e r i n g a b o u tt h ed e s i g no ft h er fs u b s y s t e m mt h e s i sf i r s td i s c u s s e st h er fs u b s y s t e m sg r o s ss t r u c t u r ed e s i g n ，a n da n a l y s e s t h ew h o l ei n d e xo ft h es y s t e m t h ep r i n c i p l ep a r to ft h er fs u b s y s t e mc o n s i s t so f r e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n g a n t e n n aa r r a y sa n dt h ed u a l - c h a n n e l r e c e i v i n g a n d t r a n s m i t t i n gc i r c u i ts y s t e m c i r c u i ts y s t e mw o r k i n g 部t r a n s m i t t e r sa n dr e c e i v e r sc o n s i s t s o fp e r p e n d i c u l a r p o l a r i z e dr e c e p t i o n t r a n s m i t t i n gc h a n n e l ，h o r i z o n t a lp o l a r i z e d r e c e p t i o n t r a n s m i t t i n gc h a n n e l ，as e c t i o nf o rf r e q u e n c ys y n t h e s i sa n dc o n t r o la n dp o w e r s u p p l y c o n s i d e r i n gt h ev a r i o u sf o r m so fa n t e n n ap e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，t h i st h e s i s a d o p t sy a g i u d aa n t e n n aa sa n t e n n aa r r a y su n i t n l eu s eo fe l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o n s o f t w a r es u c ha sh f s sa n dc s tt os i m u l a t ea n da n a l y s e sa n t e n n aa r r a y ，u s i n gas p e c i a l l a y o u to ft h ea n t e n n aa r r a ya n dt h ea n t e n n au n i to ft h ep o w e rt oi m p l e m e n ts p e c i f i c w e i g h ti n c e n t i v e st oa c h i e v et h en a r r o w - b e a m ，l o w - s i d e l o b ea n t e n n aa r r a y t h ea c t u a l r e s u l t so ft h et e s t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sh a v eg o o dc o n s i s t e n c y c o n s i d e r i n gt h es i m i l a r i t yo ft h es 仃u c n 鹏o ft h ec i r c u i t ，a n dt h a tb e t w e e nt h e v a r i o u sp a r t st of a c i l i t a t et h ec o n n e c t i o n ，a f t e rc a r e f u lo v e r a l ll a y o u t ，t h ec i r c u i ts y s t e m i sd i v i d e di n t of r e q u e n c yc o n v e r s i o nm o d u l e s ，t rm o d u l e s ，f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r c o n t r o lm o d u l e s ，p o w e rm o d u l e s ，a n do t h e rm o d u l e st od e v e l o p m e n t f o c u so nt h e d e s i g np r o c e s so ft h ef r e q u e n c yc o n v e r t e r ，f i l t e r s ，a m p l i f i e r sa n df r e q u e n c ys y n t h e s i z e r n et e s tr e s u l t so ft h er fs u b s y s t e mt e c h n i c a lp a r a m e t e r sm a yr e f l e c tt h e d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y t 1 1 i sa r t i c l ed e s c r i b e st h e a c t u a lt e s tu s e di nt h et e s t m e t h o d sa n dt e s ti n s t r u m e n t s ，t om a k et h et e s tr e s u l t sa r em o r ea c c u r a t ea n dm o r e r e a l i s t i c a l l yr e f l e c tt h ea c t u a lp e r f o r m a n c ea n dq u a l i t y 皿1 eu l t i m a t er e a l i z a t i o no ft h ei n s t a n t a n e o u sp o l a r i z a t i o nr a d a rr fs u b s y s t e m s c o u l dn o to n l ym e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ee x p e r i m e n t a la p p l i c a t i o n ，b u ta l s oh a s h i g r a yc o s t e f f e c t i v e 1 1 1 ek e yt e c h n o l o g i e so ft h i ss y s t e ma r e l o ws i d e l o b ec o m p a c t a n t e n n at e c h n o l o g y ，u l t r a - l o w - n o i s er e c e i v e rf r o n t - e n dd e s i g na n da u t o m a t i cp o w e r b a l a n c et e c h n o l o g y 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 k e yw o r d s ：i n s t a n t a n e o u sp o l a r i z a t i o nr a d a r ，r a d i o f r e q u e n c yf r o m e n d ，d u a l c h a n n e l r e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n gc i r c u i t , f r e q u e n c yc o n v e r s i o n , f r e q u e n c y s y n t h e s i z e r , t rm o d u l e s ，y a g i u d aa n t e n n a , l o w s i d e l o b ea n t e n n a a r r a y ，t e s t i n g 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 瞬态极化雷达射频分系统设计指标8 表3 1 八木天线结构的文献参考数据1 7 表3 2 天线单元的软件仿真结果与理论结果对比1 9 表3 3天线单元性能的h f s s 和c s t 仿真结果对比2 2 表3 4 不同阵元数目的天线阵列方向图参数仿真结果3 0 表3 5 共线间距对h 面方向图的影响3 3 表3 6 平行间距对e 面方向图的影响3 3 表4 1 双通道射频滤波器实际参数4 7 表4 2 单片机口线定义5 9 表5 1主机接口说明7 4 表5 2 中频输入3 7 5 m h z ，射频输出4 3 7 5 m h z 时发射机输出功率测试结果8 1 表5 3中频输入4 2 5 m h z ，射频输出4 4 2 5 m h z 发射机输出功率测试结果8 1 表5 4 中频输入4 5 m h z ，射频输出4 4 5 m h z 发射机输出功率测试结果。8 2 表5 5 射频输入频率：4 3 7 5 m h z ，中频输出3 7 5 m h z 时的双通道幅频特性8 3 表5 6 射频输入频率：4 4 2 5 m h z ，中频输出4 2 5 m h z 时的双通道幅频特性8 3 表5 7 射频输入频率：4 4 7 5 m h z ，中频输出4 7 5 m h z 的双通道幅频特性8 3 表5 8 相频不平衡度测试结果。8 4 表5 9 收发电路接收机射频带宽，中频带宽的测试结果8 4 第1 1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕七学位论文 图目录 图2 1 目标极化散射矩阵测量电路框图5 图2 2 双通道极化雷达系统探测原理示意图6 图2 3 瞬态极化雷达射频分系统原理图6 图2 4 瞬态极化雷达射频分系统结构框图7 图2 5 超j l - 差式雷达接收机简化框图1 0 图2 6 双通道接收机整体框图1 1 图2 7 雷达发射机简化框图1 2 图2 8 双通道发射机结构框图1 2 图3 1 八木天线结构示意图1 5 图3 2 一个受激有源振子与个无源振子阵列结构1 5 图3 3 ( a ) 文献结构数据仿真的h 面方向图1 8 图3 3 ( b ) 文献结构数据仿真的e 面方向图。1 8 图3 4 新式6 单元八木一宇田天线结构图1 9 图3 5 折合振子结构2 0 图3 6 单元天线驻波系数的c s t 和h f s s 仿真结果2 0 图3 7 ( a )天线单元h 面方向图的h f s s 仿真结果2 1 图3 7 ( b ) 天线单元e 面方向图的h f s s 仿真结果2 1 图3 8 ( a )天线单元h 面方向图的c s t 仿真结果2 2 图3 8 ( b )天线单元e 面方向图的c s t 仿真结果。2 2 图3 9 天线单元的增益仿真结果2 3 图3 1 0 三种普通类型的巴伦2 4 图3 1 1 u 型平衡变换器结构示意图2 5 图3 1 2 天线单元完整结构的驻波仿真结果2 6 图3 1 3 ( a ) 天线单元完整结构的h 面方向图仿真结果2 6 图3 1 3 ( b ) 天线单元完整结构的e 面方向图仿真结果2 6 图3 1 4 天线单元实物图2 7 图3 1 5 天线共线排列和平行排列示意图2 8 图3 1 6 共线排列时的互阻抗2 8 图3 1 7 平行排列时的互阻抗2 8 图3 1 8 ( a ) 共线排列时阵元间互耦随间距的变化。2 9 图3 1 8 ( b ) 平行排列时阵元间互耦随间距的变化。2 9 图3 1 9 ( a ) 不同阵元数目的天线阵列h 面方向图3 0 。万面i 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图3 1 9 ( b ) 不同阵元数目的天线阵列e 面方向图3 0 图3 2 0 不同阵元数目的阵列方向图的c s t 仿真结果3 1 图3 2 1d 2 - - 4 0 c m ，d l = 6 0 c m ，7 0 c m ，8 0 c m 时阵列的h 面方向图3 2 图3 2 2d 2 = 4 0 c m ，d l - - 6 0 c m ，7 0 c m ，8 0 c m 时阵列的e 面方向图3 2 图3 2 3d l = 7 0 c m ，d l = 3 0 c m ，4 0 c m ，5 0 c m 时阵列的h 面方向图3 2 图3 2 4d l = 7 0 c m ，d l - 3 0 c m ，4 0 c m ，5 0 c m 时阵列的e 面方向图3 2 图3 2 5线源泰勒口径分布曲线图3 4 图3 2 6 六个天线单元的位置编号3 4 图3 2 7 ( a ) 均匀分布与泰勒分布的h 面方向图对比3 5 图3 2 7 ( b ) 均匀分布与泰勒分布的e 面方向图对比3 5 图3 2 8天线阵列各单元间的互耦仿真结果3 6 图3 2 9 天线阵列方向图的c s t 仿真结果3 7 图3 3 0 天线在主平面的轴比仿真结果3 8 图3 3 1功分器的仿真模型和实物样品。3 9 图3 3 2 功分器输入端口驻波和各输出端口幅度的仿真结果3 9 图4 1 收发电路功能框图4 0 图4 2 收发电路结构框图4 1 图4 3 上变频组件结构框图4 2 图4 4 下变频组件结构框图4 2 图4 5a d e x 一1 0 l 电路结构图4 3 图4 6a d e x 1 0 l 的管脚说明4 3 图4 7 变频电路的实物图4 4 图4 9 本振抑制实测结果4 4 图4 1 0 仿真计算的射频滤波器l c 参数4 5 图4 1 1射频滤波器特性的仿真结果4 6 图4 1 2 射频滤波器实物图4 6 图4 1 3 双通道射频滤波器性能实测结果4 6 图4 1 4 仿真计算的中频滤波器l c 参数。4 7 图4 1 5中频滤波器特性的仿真结果。4 7 图4 1 6 中频滤波器实物图4 8 图4 1 7 双通道中频滤波器性能测试结果4 8 图4 1 8 中频程控增益放大器结构框图4 9 图4 1 9a d 8 3 6 7 功能框图4 9 图4 2 0 可变衰减器功能框图5 0 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 2 8 图4 2 9 图4 3 0 图4 3 1 图4 3 2 图4 3 3 图4 3 4 图4 3 5 图4 3 6 图4 3 7 图4 3 8 图4 3 9 图4 4 0 图4 4 1 图4 4 2 图4 4 3 图4 4 4 图4 4 5 图4 4 6 图4 4 7 图4 4 8 图4 4 9 图4 5 0 图4 5 1 图4 5 2 图4 5 3 图4 5 4 基于a d 8 3 6 7 的v g a 电路图5 1 压控增益放大器实物图5 2 v g a 性能实测结果5 2 e r a - 5 x s m + 电路结构图5 3 e r a 5 x s m + 的应用示意图5 4 中频固定增益放大器实物图5 4 中频固定增益放大器性能实测结果。5 5 频率综合及控制插件结构框图5 6 锁相频率合成器组成原理框图5 6 频率合成器电路图5 7 s i 4 1 3 3 内部结构图5 7 s i 4 1 3 3 内置v c o 的外置电感连接方式5 8 s i 4 1 3 3 外接电感的实现方式5 8 控制器电路原理图5 9 s i 4 1 3 3 串行数据操作时序图6 0 单片机程序执行流程图6 1 频率合成器实物图6 1 频综滤波器的性能实测结果6 1 频综输出实测结果6 2 t r 组件结构示意图。6 2 功率放大器实物图6 4 功率放大器电源开关结构框图6 5 欧姆阻抗端接限幅器原理图6 6 a g i l e n th m s p 2 8 2 2 限幅器电气特性6 6 限幅器实物图6 6 a d g 9 0 1 等效结构图6 7 接收开关电路原理图6 8 接收开关实物图6 8 预选滤波器实物图6 9 双通道接收预选滤波器性能实测结果6 9 w h m 0 2 a e 应用示意图7 0 m a r 8 a s m 应用示意图7 0 低噪声放大器电路原理图7 1 低噪声放大器实物图7 1 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 5 5 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 低噪声放大器性能实测结果7 2 射频分系统实物图7 3 收发电路机箱接口示意图7 4 各插件实物图7 4 1 2 个天线单元的驻波实测结果7 6 天线单元h 面方向图实测结果7 7 天线单元e 面方向图实测结果7 7 功分器的输出性能测试结果7 8 天线阵列的驻波比实测结果：7 8 阵元间互耦实测结果7 9 天线阵列h 面方向图实测结果8 0 收发电路发射机输出功率、通道平衡度测试连接框图8 1 收发电路接收机两通道一致性测试框图。：8 2 接收机双通道的幅频特性实测结果8 3 收发电路接收机两通道相频特性一致性测试框图8 4 接收机带宽测试框图8 4 第v i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究2 1 2 作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 这壁暖查拯焦重达盟夔金鍪统盈剑 学位论文作者签名：生! 主銎 日期：2 。g ef 月知 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：呈达壁暖查拯丝重达挝题佥丕统珏剑 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日翻：2 口吻年f 月多日 日期：跏扩年f 月歹日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 在现代战争条件下，战场电磁环境复杂多变，雷达探测系统工作条件日趋恶 化。与此同时，现代战争的信息化趋势又对雷达系统的探测性能提出了越来越高 的要求，从而产生了现代雷达系统的有限信息处理能力与现代战争对其在恶劣环 境中卓越探测性能要求之间的矛盾，这一矛盾形成了现代雷达信息处理技术不断 发展和进步的强劲推动力【2 5 1 。现代战争的电磁攻防任务，要求雷达系统既具有更 远的探测距离和更高的测量精度，又要具备更强的“智能化 信息处理能力，即 不但可以精确测量诸如目标位置、速度、航迹等空间状态参数，而且能够从雷达 回波中提取有关目标本体的属性信息，从而实现“认知 目标即对目标进行 分类和识别的功能。此外，还要求现代雷达系统在恶劣的电磁环境中，如面临敌 方电磁干扰、隐身目标攻击、飞行器超低空突防和反辐射导弹打击等威胁情况时， 仍然能够可靠地工作，并保持高的生存概率。进入8 0 年代以后，宽带信号理论和 技术、极化散射测量技术的迅猛发展，微波器件工艺水平的不断提高，雷达体制 发生了极为深刻的变革，具有高分辨成像能力、全极化测量或极化捷变能力的现 代雷达迅速崛起，逐渐取代了传统的低分辨和单极化体制雷达而成为现代雷达技 术发展的主流，从而极大地增强并扩展了雷达的探测功能和应用范围。 但是，目前大量的研究都是面向窄带、低分辨、甚至非相干雷达系统，现有 的雷达极化信息处理技术通常也只能适用于窄带、低分辨场合。国防科技大学电 子科学与工程学院王雪松、庄钊文等专家在国内首次提出了“瞬态极化”理论体 系，在宽带雷达极化信息处理、军用目标高分辨极化散射特性、微弱电磁目标极 化域检测与鉴别、极化域雷达目标识别技术等领域进行了大量的前期研究工作， 并取得了一系列重要的基础性研究成果。 以宽带极化雷达体制为背景而提出的“瞬态极化”这一崭新概念，从根本上 突破了经典极化概念的“时谐性”或“窄带性”的约束，以“瞬态极化 为核心， 建立的全新极化电磁信息处理的基本框架，不但完全包容了经典极化学理论体系， 而且更为重要的是，它为非定常电磁波极化表征、以及雷达目标带宽极化散射特 性刻化提供了有力的理论工具。利用这一理论体系，可以深入研究宽带条件下电 磁信号滤波、雷达目标增强、宽带高分辨雷达目标检测、以及雷达目标识别等诸 多应用问题i 驯。 瞬态极化雷达避免了传统的分时极化测量体制固有的测量精度差、补偿校准 复杂的缺陷，因而为精确测量运动目标的极化散射矩阵提供了技术保证。瞬态极 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 化雷达可以充分利用对目标极化特性的测量信息，对雷达目标进行更为有效的识 别。瞬态极化雷达对提高雷达系统在复杂战场环境中的探测性能和感知能力以及 在抗干扰、反隐身、反低空突防等方面具有极其重要的军事价值。在未来复杂多 变的现代战场环境下，宽带、高分辨、多极化已经成为新一代雷达扩大信息来源、 提高探测性能的必然发展趋势。 对于现役雷达体制而言，瞬态极化新体制雷达的研制将是一个质的飞跃。国 内外并无同类“瞬态极化雷达设备和产品。随着极化雷达理论的成熟和各种新 型极化器件的出现，为了能够研究、探索和检验无源定位中的新思想、新方法， 必须要做大量的试验。而无论在外场试验还是暗室内试验，进行瞬态极化雷达设 备的研制和开发利用非常必要。 1 2国内外研究现状及发展趋势 根据电磁学理论可知，平面电磁波具有幅度、相位、频率和极化这四个基本 特征。但是长期以来，有关目标散射波中所包含信息的开发利用基本上都限于研 究其幅度、相位和频率特性，对散射波极化信息的开发很不充分。而雷达目标散 射信号中的极化信息同目标回波的幅度、相位、多普勒频率、波形等信息一样， 是非常有用的信息，它在抗有源干扰和杂波干扰、目标信号滤波和增强、目标检 测和目标识别中有着巨大的潜力。 1 2 1 理论研究动态 目前，雷达极化理论体系和极化雷达系统集成技术业已完善，已在诸如雷达 极化学、复杂电磁环境中的极化滤波处理、目标动态极化特征结构识别、极化域 谱特征目标识别等方面取得了一批很有学术价值和应用价值的成果。国外许多知 名专家，对极化雷达在理论上作了深入研究，形成了专门的极化学和极化雷达理 论。 以极化散射矩阵为基础的各种目标极化特性的描述方法也应运而生， k e n n a u g h 在1 9 6 2 年提出了最佳极化的概念，得到了对于描述目标整体极化特性的 非常重要的极化不变量，如散射矩阵行列式的值、散射矩阵的迹、功率散射矩阵 行列式的值、功率散射矩阵的迹、去极化系数、本征极化及零极化等，从而揭示 了极化散射特性与目标物理特性之间的内在联系【1 9 】。在目标回波的极化增强方面， k o s t i n s k i 和b o e r n e r 提出了著名的求解最佳极化的三步法原理和扩展三步法原理， 解决了寻求最佳发射极化、最佳接收极化以及与杂波极化最大失配的接收极化等 方面的有关问题。在极化滤波方面，p o e l m a n a - j 在1 9 8 1 年提出了虚拟极化适配的 概念，从理论上解决了对稳态目标的变极化测量问题，并根据虚拟极化适配的原 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 理提出了多凹口极化滤波和单凹口自适应极化滤波等直接抑制干扰电磁波的抗干 扰技术；在目标识别方面，b r i c k e l 及l o w e n s h u s s 研究极化散射矩阵的变换时，提 出了三参数轨迹法。接着，k u h l 研究了任意目标在任意方位角下的识别问题，所 提出的五参数识别法更具有一般性的意义。 我国虽然起步较晚，但一些专家学者看准了极化雷达在战争中的重要作用， 也正在努力追赶。 在理论研究上，柯有安、张光义等院士纷纷发表文章，阐述极化雷达理论的 重要意义和他们的研究成果；庄钊文、王雪松、林昌禄等教授撰书立说，介绍他 们在极化信息处理领域的理论研究成果；李士根、蒋仁培、魏克珠等高工分别在 电子学报等刊物上发表他们在极化技术上的研究成果。在理论上，定义了电 磁波极化参数描述，将非常抽象的极化现象引入了代数学的二维和三维的直观描 述空间，从而确定了极化域，定义了极化散射矩阵的概念，将目标散射能量特性、 相位特性和极化特性以统一、紧凑、直观而方便的形式表达出来，完整地描述了 雷达目标的极化散射性能。 实际应用中，在雷达目标极化检测方面，研制了最佳极化检测器，恒等性似 然比检测器、极化白化滤波器、极化恒虚警检测器、张成检测器、功率最大合成 检测器的极化检测算法，从而使雷达的检测性能得到很大的改善；王雪松、肖顺 平、庄钊文等学者提出了信号干扰功率比优化和信号干扰功率差算法，为极化雷 达的抗干扰提供了解决措施。经过几十年的发展，相应的系统技术已进入实用阶 段，进一步开发利用极化信息的应用领域己成为国内雷达界的热门课题。 1 2 2 工程研究动态 1 2 2 1 国外动态 一些发达国家对极化雷达的发展十分重视，在技术上作了成功的研制，而且 极化雷达的作战部署越来越多。应用领域也越来越广泛。 美国：n a s a 的j p l c v 9 9 0 多波段( l 、c 、x ) 极化合成孔径雷达：陆军的l 如 波段极化测量雷达；空军的r a d c 的s 波段极化跟踪雷达； 英国：s a r c 的c h i l b o l t o n 的s 波段极化雷达； 德国：d l r 的p o l d i r a d 的c 波段极化雷达； 加拿大：n r c c 的双波段( s ，c ) 极化雷达； 意大利：a t c r 3 3 的s 波段极化多普勒雷达： 日本：k u 波段极化雷达。 1 2 2 2 国内动态 1 9 9 6 年某学院在某厘米波雷达上加装铁氧体变极化器，实现圆极化变换，用 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 以抗气象干扰； 1 9 9 7 年某学院分米波雷达变极化改造，实现1 4 种极化变换，用以抗有源干扰； 1 9 9 8 年某研究所立项雷达变极化改造，实现2 1 种极化变换，用以抗有源干扰。 虽然我国这些单通道极化变换系统还不是真正意义上的极化雷达，存在着许 多不足之处，但它是一个良好的开端。也正是这种开端，使得其理论研究和技术 上的研制促使了有关研究所及生产厂解决了一个个关键技术问题，正朝着双通道 极化捷变系统( 极化雷达) 的工程实现方向发展。 瞬态极化雷达实验系统是将瞬态极化理论成果用于实践的一次尝试。开展极 化理论和极化信息利用的研究离不开实验的支持，同时获得极化散射矩阵的4 个 要素的设备目前还没有，虽然实验装备的主要功能非常明确，但没有成熟的设备 作为借鉴，具体的实现方案以及技术参数需要边研制边修正，另外，作为瞬态极 化信息理论和应用的第一期研究，研制的设备可能还存在改善和升级的需要，因 此，需要采用自行研制的方式。本论文即紧紧围绕瞬态极化雷达射频分系统的研 制而展开。 1 3 论文的主要内容及章节安排 本论文主要是讨论瞬态极化雷达射频分系统设计，重点介绍收发天线阵列， 上变频组件、下变频组件、讯组件以及频率合成器等模块的设计过程以及将这些 模块集成为射频系统的方案，并对射频分系统整体性能进行了测试。其中包括： 第一章绪论：主要介绍论文研究的背景、意义、创新之处和主要内容； 第二章瞬态极化雷达射频分系统的系统设计：主要介绍射频分系统的整体设 计方案，对雷达收发天线阵列设计，雷达接收机设计和发射机设计进 行概述，并且简要介绍收发电路电磁兼容性设计问题以及射频电路设 计应注意的问题； 第三章雷达收发天线阵列设计：主要介绍天线单元的设计过程，并详细阐述 天线阵的设计过程，包括阵元间的互阻抗和互耦分析以及阵列关键参 数的选择等。 第四章详细阐述了雷达收发电路的模块化集成设计，包括：变频组件、频综 组件、t r 组件，详细阐述混频设计，滤波设计、中频放大系统设计、 频率合成设计以及t r 组件设计等。 第五章给出射频分系统的整体性能测试结果。 第六章结束语：对本文研究工作的总结，提出值得进一步完善的地方。 第4 页 国防科! 学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章p 波段瞬态极化雷达射频分系统总体设计概述 2 1 瞬态极化雷达探测原理简介 雷达是以电磁波为传播媒介并获取目标空间状态等电磁敏感性物理属性信息 的信息获取与处理系统，而目标的受激电磁散射行为则是目标对雷达发射电磁波 进行信息调制或者信息加载的过程，在目标的散射波中包含了目标本体的电磁敏 感性物理属性信息( 如目标的空间状态、物理结构、材料特性等) ，雷达通过对目标 的散射波进行接收和解调，即可获取这些目标信息。其中，极化信息之所以能被 利用的依据是：一般目标具有改变探测信号极化方式的特性，即不同目标对入射 电磁波的极化有不同的散射极化，这称为极化效应或去极化效应【1 9 l 。任何目标都 有其特定的极化变换作用，散射波的极化状态与入射波的极化状态一般不再相同， 其变换关系由目标特性所决定。描述极化效应的基础理论是极化散射矩阵，该散 射矩阵是2 x 2 的复数矩阵，电磁波的全部极化特性可通过测量目标的散射矩阵而 获得，从而推知目标的详细信息。也就是说，需要测出目标的极化散射矩阵： mf & e 心s f e 鲰1 r k i e 坞s 珂e 蝴i q j ) y i 式( 2 1 ) 中t c 是目标或杂波。发射水平极化波时测得4 个参量( 第- y j j ) ，发射 垂直极化波时测得4 个参量( 第二列) ，从而可获得8 个参量。基于上式的测量方法 如图2 1 所示。 图2 1 目标极化散射矩阵测量电路框图 本课题所研制的瞬态极化雷达射频系统的主要功能是探测雷达目标的极化散 射信号，要求能够同时测得目标的极化散射矩阵的4 个参数，因此需要双通道的 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 收发系统才能满足要求。如图2 2 所示，垂直极化雷达发射的电磁波遇到目标后回 波的垂直分量被垂直极化雷达接收，水平分量被水平极化雷达接收，这样可获得 散射矩阵的两个参数，类似的，当水平极化雷达发射时可获得另外两个散射参数。 图2 2 双通道极化雷达系统探测原理示意图 2 2 射频分系统的构成与设计概述 射波 根据上节所述，射频分系统由收发天线阵列和双通道收发电路组成。收发电 路即为发射机和接收机两大功能系统，主要由垂直极化发射接收通道、水平极化 发射接收通道、频率综合及控制部分和电源部分四部分构成。瞬态极化雷达射频 分系统的探测原理可由图2 3 说明： 收发天线阵列隔离网 图2 3 瞬态极化雷达射频分系统原理图 瞬态极化雷达射频分系统相当于把一套垂直极化雷达系统和一套水平极化雷 达系统集成到一套雷达系统中，由于极化散射参数包含相位信息，两套雷达系统 之间以及每个雷达系统的发射和接收必须严格相参。整个系统采用同一个本振源 作为发射通道的上变频本振和接收通道的下变频本振，这样可保证系统的相参要 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 求。频率综合器所需的参考时钟由晶体振荡器提供，与此同时，晶振还向信号处 理模块提供一路单独的时钟信号。 系统的整体结构框图如图2 4 所示。在信号发射阶段，来自任意波发生器的两 路中频信号首先与来自同一本振的相参射频信号进行混频，滤波器取出其上边带， 输入到低噪声放大器进行放大，随后再经功率放大器进一步放大，最后输送到发 射天线。为增大收发隔离度并保护发射电路，功放与发射天线之间使用了环形器。 信号接收阶段，接收天线感应空间电磁波，输送至微波低噪声放大器进行放大， 随后进行下变频，并由滤波器取出下边带中频信号，取出的信号经中频放大器放 大到合适的电平，即可输入到信号采集与处理模块，完成射频接收与变换任务。 同时，为增强系统的灵活性，在收、发电路中均具有微波开关，可对收发各通道 实现计算机控制的选通与关断。 图2 4 瞬态极化雷达射频分系统结构框图 依据上述信号流程可将瞬态极化雷达射频分系统的功能分为三部分：发射通 道、接收通道和收发天线阵。两路调制后的中频信号分别上变频至4 2 0 m h z 一 4 7 0 m h z 的射频信号，经过带通滤波后，两路微波信号经功放分别放大到5 0 w ， 然后分别经两套独立的线极化天线辐射出去。接收通道的主要功能是将由两套独 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 立的线极化天线阵接收的目标回波信号进行低噪声放大和滤波，然后下变频解调 至3 7 5 m h z - 4 7 5 m h z 的中频信号，进行适当放大后送至信号处理模块。按照这 个信号流程，各个模块的指标分配如表2 1 所示。 表2 1 瞬态极化雷达射频分系统设计指标 设备项目指标 频率相关中频中心频率：4 2 5 m h z 中频带宽：1 0 m h z 射频中心频率：4 4 5 m h z 射频带宽：5 0 m i - i z 功率相关每通道发射功率：5 0 w 两通道功率平衡度：两通道功率差l d b 发射机 体制相关脉冲工作方式； 脉冲占空比：5 0 ； 脉冲宽度：o 2 2 0 u s 相位相关 两通道相位差别：5 。 每通道相位稳定性： 0 0 1 。 1 0 m i n 频率精度 优于：_ _ _ 2 p p m 温度稳定性 优于：o 1 p p m ( 2 5 。c 时的频率) 本振相位噪声1 0 0 d b c h z 1 k i - i z 本振源 - 1 0 5 d b c h z 1 0 k i - i z 1 1 5 d b c h z 1 1 0 0 k h z - 1 2 0 d b c h z 1 m h z 频率步进 0 5 m 吼z 噪