連續(xù)波生命探測(cè)雷達(dá)

1、 南 京 理 工 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文)作 者:譚周燚學(xué) 號(hào)：1004330125學(xué)院(系):電子工程與光電技術(shù)學(xué)院專(zhuān) 業(yè):探測(cè)制導(dǎo)與控制技術(shù)題 目:生命探測(cè)雷達(dá)接收組件的設(shè)計(jì)指導(dǎo)者：許建中教授(姓 名)(專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù))評(píng)閱者：(姓 名)(專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)) 年 月南 京 理 工 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語(yǔ)學(xué)生姓名：班級(jí)、學(xué)號(hào)：題 目：綜合成績(jī)：指導(dǎo)者評(píng)語(yǔ)： 指導(dǎo)者(簽字)： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語(yǔ)評(píng)閱者評(píng)語(yǔ)： 評(píng)閱者(簽字)： 年 月 日答辯委員會(huì)（小組）評(píng)語(yǔ)：答辯委員會(huì)（小組）負(fù)責(zé)人(簽字)： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）中文摘要摘要： 自上個(gè)世紀(jì)80年代美國(guó)科學(xué)家確認(rèn)電磁波

2、照射到人體后回波特性與人體微動(dòng)有一定相關(guān)性以來(lái)，生命探測(cè)雷達(dá)技術(shù)得到了快速的發(fā)展。目前生命探測(cè)雷達(dá)廣泛地用于災(zāi)后搜救、反恐作戰(zhàn)、病人監(jiān)護(hù)等諸多方面。 本論文針對(duì)生命探測(cè)雷達(dá)的接收組件進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)和研究。為了接收機(jī)的性能更加穩(wěn)定，本課題采用了模擬正交通道，它是將中頻信號(hào)經(jīng)帶通濾波器分成兩路并與相差為90°的兩路正弦波相乘，正弦波的頻率取信號(hào)的中心頻率，該中心頻率由本地振蕩器得到，最后兩路信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾除高頻成分，形成I/Q兩路基帶信號(hào)，分別送入兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。I/Q雙通道的設(shè)計(jì)，主要是為了解決盲點(diǎn)問(wèn)題。I/Q雙通道的設(shè)計(jì)保證了接收機(jī)總是有一路在最佳解調(diào)靈敏度狀態(tài)，

3、從而保證探測(cè)到的生命信號(hào)的準(zhǔn)確性。關(guān)鍵詞 生命探測(cè)雷達(dá) 接收組件 模擬正交 盲點(diǎn)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）外文摘要Title The life detection radar The receiving component Abstract Since the 1980s, American scientists confirmed that exposure to the electromagnetic characteristics of the human body and human echo fretting has some relevance since, life detectio

4、n radar technology has been rapid development. Currently widely used in life-detection radar disaster search and rescue, counter-terrorism operations, patient monitoring and other aspects. In this thesis, the receiving component of the life detection radar designed and carried out relevant research.

5、 In order to more stable performance of the receiver, the subject used the analog quadrature channel, which make the intermediate frequency signal via band-pass filter is divided into two and multiplied by the difference of two sine of 90 °, the frequency of the sine wave to take the center fre

6、quency of the signal ，the center frequency obtained from the local oscillator ，the last two signals through a low pass filter to filter high frequency components to form I / Q base band of two signals, respectively converted into two analog-digital output. I / Q dual channel design, mainly to solve

7、the blind spot problem. I / Q dual-channel receiver designed to ensure there is always the best way demodulation sensitivity in the state to ensure the accuracy of the probe into the life of the signal.Keywords The life detection radar The receiving component The analog quadrature channel the blind

8、spot 目 次 1 緒 論11.1 生命探測(cè)雷達(dá)簡(jiǎn)敘11.2 生命探測(cè)雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀21.3 本課題主要研究工作32 生命探測(cè)雷達(dá)接收電路42.1 幾種接收體制的比較42.2 I/Q正交雙通道62.3 接收組件相關(guān)參數(shù)72.3.1 靈敏度和噪聲系數(shù)72.3.2 動(dòng)態(tài)范圍和增益83 接收組件電路設(shè)計(jì)與仿真93.1 低噪聲放大器93.2 功分器153.3 混頻器193.4 移相器233.5 接收支路的設(shè)計(jì)244 接收機(jī)的硬件測(cè)試264.1 接收機(jī)PCB板的制作274.2 生命信號(hào)仿真284.3 硬件的測(cè)試28 結(jié) 論31 致 謝32 參 考 文 獻(xiàn)33第 35 頁(yè) 共 44 頁(yè) 1 緒 論在人類(lèi)

9、的歷史長(zhǎng)河中，從來(lái)少不了的是各種各樣的災(zāi)害，有些是人為，更多的是自然的力量。與自然相比，人的力量當(dāng)然是弱小的，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，人類(lèi)都無(wú)法面對(duì)災(zāi)難過(guò)后無(wú)法及時(shí)救援的難題。然后，隨著近現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，人類(lèi)逐漸在災(zāi)后救援中掌握著主動(dòng)。11 生命探測(cè)雷達(dá)簡(jiǎn)敘生命探測(cè)雷達(dá)的誕生，讓人類(lèi)在災(zāi)后救援中獲得了很大的助力。1935年，英國(guó)電氣工程師華生·瓦特向英國(guó)政府提出了一項(xiàng)新技術(shù)“協(xié)助飛機(jī)起落與空中定位的無(wú)線電儀器”，RADAR（雷達(dá)）就是它的英文縮寫(xiě)。繼這之后，各國(guó)開(kāi)始研究雷達(dá)的各項(xiàng)技術(shù)。雷達(dá)從最早用于戰(zhàn)爭(zhēng)，到后來(lái)的用于反恐救援，再到現(xiàn)在的災(zāi)后救援和醫(yī)療監(jiān)測(cè)，已逐漸走向成熟。尤其是在“和平

10、年代”的21世紀(jì)，雷達(dá)更多的是用于災(zāi)后救援和醫(yī)療監(jiān)測(cè)。令全世界人民都為之震驚的2008年“5·12”汶川大地震發(fā)生之后，我國(guó)以及世界各國(guó)的救援部隊(duì)迅速反映，攜帶“生命探測(cè)雷達(dá)”進(jìn)入災(zāi)區(qū)進(jìn)行救援?？梢哉f(shuō)在大地震之后的汶川，“生命探測(cè)雷達(dá)”已經(jīng)成為救援人員的眼睛，生命探測(cè)雷達(dá)可以做到在有障礙物的情況下準(zhǔn)確的對(duì)微弱的生命體征信號(hào)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別，從而為迅速救治受傷人員節(jié)約寶貴的時(shí)間。生命探測(cè)雷達(dá)是災(zāi)后搜尋幸存者的重要工具，它通過(guò)發(fā)射電磁波穿過(guò)掩蓋物，碰到人體后返回，雷達(dá)接收機(jī)接收到反射波之后進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，就能得到幸存者的呼吸、心跳等生命信?hào)。在現(xiàn)代反恐任務(wù)中，生命探測(cè)雷達(dá)通過(guò)對(duì)目標(biāo)物體的照

11、射，不僅可以確定恐怖分子的人數(shù)和移動(dòng)位置，還能夠確定人質(zhì)的狀態(tài)，從而為特戰(zhàn)隊(duì)員的突擊救援提供準(zhǔn)確的人員信息和位置信息?？傊綔y(cè)雷達(dá)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域起到廣泛和不可估量的作用。隨著科技的發(fā)展，生命探測(cè)雷達(dá)必然會(huì)更加完善。12 生命探測(cè)雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀生命探測(cè)雷達(dá)的主要研究方向集中在生命信號(hào)的探測(cè)和生命信號(hào)的識(shí)別及提取，一是為了確定探測(cè)區(qū)域是否存在生命，另一個(gè)是用于判斷生命體的生理狀況。在這兩個(gè)方面，國(guó)內(nèi)外都取得了一些成果，但是在生命信號(hào)的識(shí)別和提取方面，國(guó)內(nèi)還是處于初步階段，國(guó)外要成熟一些。自1935年華生·瓦特提出了“雷達(dá)”技術(shù)的方案之后，各國(guó)對(duì)雷達(dá)技術(shù)的研究也迅速展開(kāi)，所以雷達(dá)及其

12、相關(guān)技術(shù)也得到了很快的發(fā)展。二十世紀(jì)九十年代，生命探測(cè)雷達(dá)技術(shù)出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)各國(guó)科學(xué)家和研究人員二十多年的研究和發(fā)展，已經(jīng)逐步形成了以超聲波(Acoustic)技術(shù)、X射線技術(shù)、紅外線技術(shù)、射頻技術(shù)(RF)等技術(shù)手段的探測(cè)方法，其中不少技術(shù)手段的試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)研發(fā)出來(lái)，一些更加先進(jìn)的系統(tǒng)也早不斷研發(fā)當(dāng)中?！?】。在“和平年代”的今天，世界上各個(gè)國(guó)家都非常重視生命探測(cè)雷達(dá)技術(shù)的研究，這項(xiàng)技術(shù)也在不斷的發(fā)展，這也是應(yīng)時(shí)代的需要。目前，對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)的研究美國(guó)、英國(guó)、俄羅斯、加拿大、以色列和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家處于世界領(lǐng)先地位。上個(gè)世紀(jì)80年代初，美國(guó)的D.K.Misra等研究了電磁波照射到人體后的散射特性,并確定

13、人體表微動(dòng)與反射回波信號(hào)的幅度和相位之間具有一定的相關(guān)性。各國(guó)研究人員以此形成的理論作為基礎(chǔ),相繼開(kāi)展對(duì)連續(xù)波雷達(dá)的生命信號(hào)探測(cè)展開(kāi)了研究。意大利佛羅倫薩大學(xué)的研究小組模擬了雪災(zāi)后的場(chǎng)景，然后采用頻率為2.24GHz的連續(xù)波雷達(dá),并用正交相干接收機(jī)進(jìn)行了測(cè)試,獲得了比較明顯的人體呼吸信號(hào)時(shí)域波形。上個(gè)世紀(jì)九十年代后期，美國(guó)佐治亞技術(shù)研究所運(yùn)用雷達(dá)生命特征信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)研制出的“手電筒式雷達(dá)”(因其外形類(lèi)似手電筒而得名)，可探測(cè)心跳或呼吸產(chǎn)生的人體胸部的微小運(yùn)動(dòng)(只要被掩蓋者胸部有幾毫米的移動(dòng)就能被探測(cè)到)，并具有自動(dòng)識(shí)別人體的功能?！笆蛛娡彩嚼走_(dá)”可在各種復(fù)雜環(huán)境下工作，探測(cè)距離30至50米，穿

14、透2至3米實(shí)體障礙物后，可探測(cè)10米以?xún)?nèi)的人員目標(biāo)【5】。但是，該裝置到目前為止并沒(méi)有真正的手電筒便利，只能固定使用。英國(guó)劍橋大學(xué)在2003年推出了其首款穿墻雷達(dá)，該雷達(dá)的帶寬為2GHz，能夠在穿透40cm厚的墻體后探測(cè)達(dá)15m內(nèi)的目標(biāo)。隨后在2005年，劍橋大學(xué)又推出一款名為Prism200的穿墻雷達(dá)，該雷達(dá)已經(jīng)具備三維成像能力，是當(dāng)今主流穿墻雷達(dá)產(chǎn)品的代表之一。穿過(guò)混凝土或磚混墻體后，還可以探測(cè)到15米以?xún)?nèi)的人員目標(biāo)，距離分辨率小于10厘米。系統(tǒng)視場(chǎng)為120度，總重量小于10千克。電池(可充電)供電可連續(xù)工作兩小時(shí)【18】。我國(guó)對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)的研究起步相對(duì)較晚，我國(guó)最早是在1998年開(kāi)始對(duì)這

15、項(xiàng)技術(shù)的研究工作。進(jìn)入21世紀(jì)之后，我國(guó)才逐步加強(qiáng)這方面相關(guān)技術(shù)研究的投入。到目前為止，我國(guó)在這項(xiàng)技術(shù)上也只是處于起步階段。第四軍醫(yī)大學(xué)較開(kāi)始非接觸式雷達(dá)生命參數(shù)檢測(cè)的相關(guān)研究,相關(guān)課題組研究了不同頻率段的連續(xù)波雷達(dá)檢測(cè)性能,采用雜波抑制技術(shù)對(duì)回波中生命信息進(jìn)行取,并提出了對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別的方法。2005年，電子科技大學(xué)展開(kāi)了對(duì)穿墻雷達(dá)的探索研究。到目前為止，已經(jīng)研發(fā)出步進(jìn)頻超寬帶穿墻雷達(dá)樣機(jī)，該雷達(dá)工作帶寬為12GHz，能穿透40cm厚的一般水泥墻之后探測(cè)15內(nèi)的目標(biāo)并且實(shí)時(shí)給出目標(biāo)的個(gè)數(shù)、方位和距離信息，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤成像?！?】。13 本課題主要研究工作本課題的主要研究方向是設(shè)計(jì)多普勒連續(xù)波

16、生命探測(cè)雷達(dá)的接收組件的硬件電路，并利用ADS進(jìn)行仿真，最后制作出接收組件的實(shí)物。由于生命信號(hào)的幅度和頻率都非常小，而且生命探測(cè)雷達(dá)的探測(cè)存在盲點(diǎn)，本課題研究了I/Q正交雙通道接收機(jī)的原理及其硬件的設(shè)計(jì)。本論文的第一章主要簡(jiǎn)要介紹了生命探測(cè)雷達(dá)發(fā)展歷程，列舉了國(guó)際上主要發(fā)達(dá)國(guó)家中這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展即現(xiàn)狀。也簡(jiǎn)要說(shuō)明了我國(guó)生命探測(cè)雷達(dá)技術(shù)的起步和發(fā)展。本課題最后確定研究對(duì)象是多普勒連續(xù)波生命探測(cè)雷達(dá)接收組件的設(shè)計(jì)。第2章 首先是對(duì)生命探測(cè)雷達(dá)的系統(tǒng)組成和工作原理做了基本的介紹。然后著重討論了接收組件的個(gè)重要參數(shù)，接收機(jī)靈敏度、噪聲系數(shù)、增益、動(dòng)態(tài)范圍和恢復(fù)時(shí)間。討論了I/Q正交雙通道原理和作用。第3

17、章 主要是對(duì)接收機(jī)電路的各單元電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并運(yùn)用ADS進(jìn)行了相關(guān)電路的仿真。首先進(jìn)行了放大器的設(shè)計(jì)，然后著重對(duì)混頻器、濾波器和功放器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的講解。最后整合各個(gè)電路單元，進(jìn)行了接收支路的整體設(shè)計(jì)。 第四章中，主要進(jìn)行了接收電路的PCB板的設(shè)計(jì)與制作，最后結(jié)合發(fā)射電路制作了實(shí)物并進(jìn)行了實(shí)物系統(tǒng)測(cè)試。 在論文的最后，對(duì)全文工作進(jìn)行了總結(jié)。 2 生命探測(cè)雷達(dá)接收電路 第一章簡(jiǎn)要介紹了雷達(dá)的應(yīng)用背景和發(fā)展歷程。本章將對(duì)生命探測(cè)雷達(dá)的接收電路進(jìn)行詳細(xì)介紹，并分析各種接收體制的優(yōu)缺點(diǎn)。重點(diǎn)敘述本課題采用的體制。2.1 幾種接收體制的比較在雷達(dá)接收機(jī)的發(fā)展歷程中，首先出現(xiàn)的是超再生式接收機(jī)，之后

18、晶體視頻接收機(jī)和調(diào)諧式射頻接收機(jī)相繼出現(xiàn)。E.H.阿姆斯特朗于1918年提出超外差原理，在幾代研究人員的不懈努力之下，于上世紀(jì)末研制出超外差式接收機(jī)。接收天線中頻濾波中頻放大混頻器射頻放大器鑒相電路A/D轉(zhuǎn)換電路本振信號(hào)處理 圖2.1 超外差式接收機(jī)的原理框圖接收天線接收到回波信號(hào)之后，將信號(hào)送入接收機(jī)電路，經(jīng)過(guò)射頻低噪聲放大器進(jìn)行放大，根據(jù)性能的需要，選擇射頻濾波器抑制外部噪聲干擾。對(duì)于不同波段的接收機(jī)，濾波器和低噪聲放大器的順序可能不同。兩種器件位置的不同也會(huì)使接收機(jī)側(cè)重點(diǎn)不一樣。濾波器在前，會(huì)增加接收機(jī)的抗干擾和抗飽和能力，同時(shí)也增加了信號(hào)的損耗；低噪聲放大器在前，可以提高接收機(jī)的靈敏度

19、和噪聲系數(shù)，但抗干擾和抗飽和能力會(huì)有所下降。混頻器將接收機(jī)接收到的回波射頻信號(hào)變換成中頻信號(hào)，中頻放大器的使用可以提高系統(tǒng)的增益和穩(wěn)定性，使接收機(jī)對(duì)信號(hào)的匹配濾波更加容易。超外差式接收機(jī)靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，當(dāng)今雷達(dá)系統(tǒng)中幾乎都采用這種技術(shù)的接收機(jī)。一種已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家廣泛重視的新探測(cè)技術(shù)叫超帶寬雷達(dá)接收技術(shù)。這種體制的接收機(jī)擁有超帶寬特性和高分辨率特性，可精確獲得復(fù)雜目標(biāo)的回波特性，對(duì)目標(biāo)識(shí)別和目標(biāo)成像有非常有利。超帶寬體制雷達(dá)還可增強(qiáng)目標(biāo)的雷達(dá)截面積，并且改進(jìn)對(duì)雜波的抑制以及減弱有源干擾的影響，從而提高對(duì)隱身目標(biāo)和處于干擾環(huán)境中的目標(biāo)的辨別能力。超帶寬雷達(dá)目前在民事上并未得到廣泛的應(yīng)用

20、，主要是因?yàn)槠涑杀据^高，而且對(duì)技術(shù)要求較高，操作復(fù)雜。 本振90°移相器 功分器混頻器 I通道 接收天線低噪放混頻器 Q通道 低通濾波器信息處理電路低通濾波器 圖2.2生命探測(cè)雷達(dá)接收支路的原理框圖另一種常用的雷達(dá)接收機(jī)體制是調(diào)頻連續(xù)波多普勒體制。連續(xù)波多普勒接收系統(tǒng)是利用目標(biāo)和系統(tǒng)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)電磁波的多普勒效應(yīng)進(jìn)行工作的裝置。它通過(guò)發(fā)射連續(xù)的電磁波，測(cè)量回波信號(hào)的多普勒頻移和多普勒信號(hào)的幅度及其變化特征來(lái)測(cè)定接收系統(tǒng)與目標(biāo)之間的相對(duì)速度和相對(duì)位置。其原理方框圖如圖2.2。多普勒效應(yīng)的原理應(yīng)用簡(jiǎn)單，優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)小體積，低成本，因此起初這項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域內(nèi)的引信中作為近

21、距離探測(cè)及定距裝置。生命探測(cè)雷達(dá)是基于多普勒效應(yīng)的連續(xù)波雷達(dá)，由于心跳、呼吸等產(chǎn)生的微小位移，對(duì)載波信號(hào)產(chǎn)生的微小的相位調(diào)制，通過(guò)混頻和濾波，可以檢測(cè)出這種相位調(diào)制信號(hào)。有載波發(fā)射信號(hào) （2.1）心跳的位移，認(rèn)為心跳的位移遵循正弦調(diào)制 （2.2）則心跳的相位調(diào)制 （2.3）同理，呼吸信號(hào)的相位調(diào)制 （2.4）則，回波信號(hào)為 （2.5）其中，P為在回?fù)苓^(guò)程中的衰減系數(shù)，經(jīng)過(guò)混頻和濾波，便可得到下變頻信號(hào) （2.6）2.2 I/Q正交雙通道如圖2.1所示的接收電路，是本課題所采用的I/Q正交通道。接收機(jī)接收到回波信號(hào)后通過(guò)功分器將信號(hào)分為兩路，其中一路直接與本振信號(hào)混頻，令本振為，即： （2.7）

22、混頻后得到基帶信號(hào)： （2.8）將本振信號(hào)相移90°得到： （2.9）將另一路與混頻，得到基帶信號(hào)： （2.10）為了解決接收機(jī)中的盲點(diǎn)問(wèn)題，需要在I/Q兩路之間選擇一路進(jìn)行處理。當(dāng)時(shí)，I路出現(xiàn)盲點(diǎn)，而Q路處于最佳解調(diào)靈敏度狀態(tài)；同理，當(dāng)時(shí)，Q路出現(xiàn)盲點(diǎn)，而I路處于最佳解調(diào)靈敏度狀態(tài)。I/Q正交通道的設(shè)計(jì)保證了總有一路處在最佳解調(diào)靈敏度狀態(tài)。2.3 接收組件相關(guān)參數(shù) 2.3.1 靈敏度和噪聲系數(shù)靈敏度表征接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力，通常用最小可檢測(cè)信號(hào)功率來(lái)表示。如果信號(hào)功率低于，信號(hào)將被噪聲覆蓋，不能被識(shí)別出來(lái)?？梢?jiàn)，接收機(jī)的靈敏度受噪聲電平的影響，所以減小噪聲電平可以提高接收機(jī)靈敏

23、度。在接收機(jī)中，噪聲的來(lái)源主要有兩種，一是內(nèi)部噪聲，再就是外部噪聲。內(nèi)部噪聲主要由接收機(jī)中的有源元件（如混頻器、場(chǎng)效應(yīng)管等）、無(wú)源元件（如電阻、電容等）、饋線等元器件產(chǎn)生。接收機(jī)內(nèi)部噪聲在時(shí)間上是連續(xù)的，而振幅和相位是隨機(jī)的，通常稱(chēng)為“起伏噪聲”，簡(jiǎn)稱(chēng)噪聲。要減小噪聲電平，首先是要抑制外部噪聲，然后就是盡量減小接收機(jī)內(nèi)部噪聲19。接收機(jī)的噪聲系數(shù)即表征接收系統(tǒng)自身噪聲引入的程度，定義為輸入信號(hào)噪聲比/輸出信號(hào)噪聲比。即 （2.11）噪聲系數(shù)表征接收機(jī)內(nèi)部噪聲的大小，當(dāng)時(shí)，說(shuō)明接收機(jī)內(nèi)部沒(méi)有噪聲，當(dāng)然這只是一種理想情況。實(shí)際上，接收機(jī)在接收和檢測(cè)有用信號(hào)的同時(shí)，夾雜某些干擾與噪聲與有用的微弱信號(hào)

24、一起被放大，妨礙了對(duì)信號(hào)的檢測(cè)，成為限制接收機(jī)靈敏度的主要因素15。為了提高接收機(jī)靈敏度，即減小最小可檢測(cè)信號(hào)功率，除了通常采用低噪聲高增益高頻放大器來(lái)盡可能降低接收機(jī)總的噪聲系數(shù)外，還可以采用以下幾條途徑： a.減小系統(tǒng)帶寬，一般取決于中放帶寬，但也不能太小，否則會(huì)使信號(hào)失真。通常接收機(jī)中頻帶寬采用匹配濾波器，以便得到白噪聲背景下輸出最大信噪比19。 b.在保證檢測(cè)質(zhì)量的前提下，減小最小信噪比，即設(shè)法提高信號(hào)處理方法的水平，從而降低信號(hào)處理對(duì)信噪比的要求。 c.降低工作溫度，通常在有條件的情況下，采用低溫恒溫系統(tǒng)，如將接收系統(tǒng)置于77K的液氮循環(huán)系統(tǒng)中，或者采用半導(dǎo)體制冷器件。 2.3.2

25、動(dòng)態(tài)范圍和增益 動(dòng)態(tài)范圍是指接收機(jī)正常工作時(shí)允許的輸入信號(hào)的強(qiáng)度變化范圍。允許輸入的最小信號(hào)強(qiáng)度通常取最小可分辨信號(hào)，允許輸入的最大信號(hào)強(qiáng)度是根據(jù)實(shí)際需要來(lái)決定的。它所表征的是接收機(jī)信號(hào)檢測(cè)的性能，所以有足夠大的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)于接收機(jī)來(lái)說(shuō)是十分必要的。接收機(jī)擁有較大的動(dòng)態(tài)范圍，就說(shuō)明接收機(jī)既有檢測(cè)小信號(hào)的能力，又有較小的虛警概率。當(dāng)輸入信號(hào)太強(qiáng)時(shí)接收機(jī)將發(fā)生飽和，增益下降就會(huì)發(fā)生過(guò)載。過(guò)載可能會(huì)使較小目標(biāo)的回波顯著減小甚至丟失15。 增益表示接收機(jī)對(duì)回波信號(hào)的放大能力。增益定義為輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的功率比，即 （2.12） 接收機(jī)的增益并不是越大越好，是由接收機(jī)的系統(tǒng)要求確定的。接收機(jī)增益決定輸出

26、信號(hào)的幅度，在實(shí)際的接收機(jī)中，增益及其分配與噪聲系數(shù)和動(dòng)態(tài)范圍都有直接的關(guān)系20。接收機(jī)連續(xù)工作的一個(gè)指標(biāo)是恢復(fù)時(shí)間?；謴?fù)時(shí)間是指接收機(jī)過(guò)載之后，當(dāng)輸入水平恢復(fù)到正常時(shí)，接收機(jī)返回到正常的工作狀態(tài)所需要的時(shí)間?；謴?fù)時(shí)間的大小也表征接收機(jī)性能的好壞。 3 接收組件電路設(shè)計(jì)與仿真在上一章中，對(duì)生命探測(cè)雷達(dá)接收機(jī)體制和影響接收機(jī)性能的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的講解，同時(shí)描述了I/Q通道的原理和優(yōu)點(diǎn)。本章將要對(duì)接收電路中幾個(gè)重要的電路元件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)與電路仿真。生命探測(cè)雷達(dá)中一個(gè)重要部分就是接收電路，接收支路由多個(gè)電路模塊組成。3.1 低噪聲放大器 在接收電路中最常用到的一個(gè)器件就是低噪聲放大器。在設(shè)計(jì)一個(gè)放

27、大器的時(shí)候，需要考慮的重要特性有：功率增益、噪聲系數(shù)、穩(wěn)定性、輸入/輸出電壓駐波比、動(dòng)態(tài)范圍等。 功率增益一個(gè)晶體管放大器可以用一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)來(lái)表示，如下圖所示： 圖3.1 晶體管放大器二端口網(wǎng)絡(luò) 晶體管 匹配網(wǎng)絡(luò)1 匹配網(wǎng)絡(luò)2 圖3.2 放大器二端口網(wǎng)絡(luò)示意圖 功率增益為 (3-1)其中，。 當(dāng)時(shí)，功率增益稱(chēng)為單向功率增益，表示為 (3-2)當(dāng)且時(shí)，獲得最大單向功率增益，表示為 (3-3) 噪聲特性 1）噪聲系數(shù) 關(guān)于噪聲系數(shù)的定義及噪聲特性已經(jīng)在本文的第二章中的2.2節(jié)闡述過(guò)。放大器的噪聲系數(shù)可表示為： (3-4)其中為室溫的熱力學(xué)溫度（通常）,為放大器等效噪聲溫度。通常，將噪聲系數(shù)用分貝

28、表示為： （3-5）當(dāng)一個(gè)低噪聲放大器由多級(jí)晶體管放大器組成時(shí)，其噪聲系數(shù)為： （3-6） 2）最佳噪聲匹配一般情況下，一個(gè)有噪聲的二端口網(wǎng)絡(luò)可用一個(gè)接在無(wú)噪聲二端口網(wǎng)絡(luò)輸入端的一個(gè)噪聲電壓源和一個(gè)噪聲電流源來(lái)表示，如下圖所示： 無(wú)噪聲 二端口 網(wǎng)絡(luò) 圖3.3 一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲等效電路 如果電路的電壓噪聲是主要的，可采用使傳輸?shù)脑肼曅盘?hào)最小高的源阻抗。如果電流噪聲是主要的，可連接一個(gè)會(huì)使傳輸?shù)脑肼曅盘?hào)最小低的源阻抗4。當(dāng)兩種噪聲同時(shí)存在時(shí)，從電路的最小噪聲系數(shù)將得出一個(gè)特定的源導(dǎo)納（或源阻抗），稱(chēng)為最佳源導(dǎo)納（或最佳源阻抗），此時(shí)噪聲系數(shù)可表示為： (3-7)或 （3-8）其中，是噪聲系數(shù)

29、；是源導(dǎo)納，；是最小噪聲系數(shù)；是等效噪聲電阻；是最小噪聲系數(shù)的最佳源導(dǎo)納，。 當(dāng)用反射系數(shù)H和來(lái)表示對(duì)應(yīng)的和時(shí)，可得： (3-9) 其中，()，和通稱(chēng)為噪聲參數(shù)。當(dāng)時(shí)，放大器獲得最小噪聲。 穩(wěn)定性 在一個(gè)理想放大器中，為零，放大器會(huì)無(wú)條件穩(wěn)定。如果,則對(duì)應(yīng)于任意的輸入反射系數(shù)和對(duì)應(yīng)于任意的輸出反射系數(shù)可表示為： (3-10) （3-11）當(dāng)時(shí)，可用一下式子來(lái)判斷放大器的絕對(duì)穩(wěn)定，還是潛在不穩(wěn)定，即： (3-12)其中，是穩(wěn)定因子。1）當(dāng)時(shí)，放大器絕對(duì)穩(wěn)定。2）當(dāng)時(shí)，放大器是潛在不穩(wěn)定。對(duì)于潛在不穩(wěn)定的放大器，可求得穩(wěn)定區(qū)；對(duì)不穩(wěn)定的頻率范圍，通過(guò)加入電容、電感、電阻或傳輸線來(lái)獲得有條件的穩(wěn)定。

30、 動(dòng)態(tài)范圍放大器的動(dòng)態(tài)范圍和接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍的表征方法相似，常用增益壓縮動(dòng)態(tài)范圍和無(wú)失真動(dòng)態(tài)范圍來(lái)表示。1） 增益壓縮動(dòng)態(tài)范圍 (3-13) 其中，為放大器增益壓縮為時(shí)的輸出電平；為玻爾茲曼常數(shù)；為放大器噪聲系數(shù)；為放大器噪聲寬帶；為放大器增益；為識(shí)別因子，表示最小可識(shí)別信號(hào)電平與噪聲電平之比。 當(dāng)輸出功率用表示，為的數(shù)，用表示，用表示，時(shí)，增益壓縮動(dòng)態(tài)范圍為： (3-14)2） 無(wú)失真動(dòng)態(tài)范圍 無(wú)失真動(dòng)態(tài)范圍是指放大器的三階交調(diào)等于最小可檢測(cè)信號(hào)時(shí)，放大器輸出的信號(hào)功率與所對(duì)應(yīng)的三階交調(diào)信號(hào)功率之比，其計(jì)算公式為： (3-15) 本課題中的接收機(jī)使用兩個(gè)低噪聲放大器，采用HITITE公司的H

31、MC286 / 286E。該型HMC286HMC286E是低成本低噪聲放大器（LNA）。該型放大器在2.3到2.5 GHz范圍內(nèi)提供19dB增益和1.7dB噪聲系數(shù)，由單個(gè)+3 V電源提供電源，消耗僅8.5毫安。在頻率2.4 GHz時(shí)，1dB壓縮點(diǎn)的典型輸出為+6 dBm。該型緊湊的低噪聲放大器的設(shè)計(jì)采用片上匹配重復(fù)增益和噪聲系數(shù)性能。此外，消除了外部匹配電路，降低了LNA功能的總體尺寸。該型 HMC286HMC286E旨在滿(mǎn)足PCMCIA（個(gè)人計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)卡國(guó)際協(xié)會(huì)）的平臺(tái)尺寸的限制，并使用 SOT26封裝，面積為0.118“×0.118”，這使這種放大器很方便的應(yīng)用于各種2.4GH

32、z的專(zhuān)用集成電路的設(shè)計(jì)。該型放大器在常溫下的參數(shù)如下表： 參數(shù) 最小值 典型值 最大值 單位頻率范圍 2.32.5 GHz增益 16 19 dB過(guò)溫增益變化 0.015 0.03 dB/增益平坦度 ±1.25 dB噪聲系數(shù) 1.7 2.5 dB輸入回波損耗 12 dB輸出回波損耗 4.5 dB1dB輸出壓縮 2 6 dBm三階輸出截距 9 12 dBm電源電流 8.5 12.5 mA 表3.1 HMC286HMC286E各參數(shù)該型放大器的引腳圖如下： 圖3.4 HMC286HMC286E的引腳圖各參數(shù)曲線圖如下： 圖3.5 帶寬增益和回?fù)軗p耗與帶寬噪聲系數(shù) 圖3.6 不同溫度下的增益

33、與噪聲系數(shù) 圖3.7 不同溫度下的輸入回波損耗與輸出回波損耗絕對(duì)最大額定參數(shù)如下表： 漏極偏壓（Vdd） +7VdcRF輸入功率（RFIN）（Vdd=+3Vdc） 0dBm 通道溫度 150 連續(xù)功耗（T=85） （高于85降低6.35mW/） 0.413W 熱變電阻 （通道引導(dǎo)） 157/W 儲(chǔ)存溫度 -65到+150 工作溫度 -40到+85 靜電敏感度 1A 表3.2 HMC286 / 286E絕對(duì)最大額定參數(shù)3.2 功分器 功分器是功率分配器的簡(jiǎn)稱(chēng)，它的作用是將一路輸入信號(hào)分成兩路或者多路輸出信號(hào)。當(dāng)功分器反向作用時(shí)，就是合路器。功分器是最常見(jiàn)的無(wú)源器件，本課題采用的微帶三端口功分器。

34、 功分器常見(jiàn)的幾種結(jié)構(gòu)如下所示： 圖3.8 幾種常見(jiàn)的三端口功分器結(jié)構(gòu)三端口功分器原理圖如下： Zin2 Z02 Z0 Zin1 Z03 圖3.9 微帶三端口功分器原理圖 如圖3.6所示的原理圖，信號(hào)由端口輸入，特性阻抗為Z0，分別經(jīng)過(guò)特性阻抗Z02、Z03的兩端微帶線從和端口輸出，負(fù)載電阻分別為R2和R3。兩段傳輸線在中心頻率時(shí)電長(zhǎng)度均為，即，它們之間沒(méi)有耦合。功分器應(yīng)滿(mǎn)足下列條件： 端口與端口的輸出功率之比可為任意指定值； 端口無(wú)反射； 端口與端口的輸出電壓等幅、同相。由這些條件可以確定Z02、Z03、R2、R3。由于端口、端口的輸出功率與輸出電壓的關(guān)系分別為 （3-16） 由條件可令功率

35、比為 （3-17） 則 （3-18） 再由條件可得 。若取則.由條件可知，由與并聯(lián)而成的總輸入阻抗等于。由于在中心頻率，,為純電阻，則 （3-19） 如以輸入電阻表示功率比，則 （3-20）由（3-9）和（3-10）可得 （3-21）由于與等幅、同相，在端口和端口之間跨接一只電阻,并不影響其的性能。當(dāng)、兩端口外接負(fù)載不等于和時(shí)，負(fù)載會(huì)產(chǎn)生功率反射，這時(shí)電阻可以起到隔離、端口的作用。當(dāng)兩路功分器工作在中心頻率時(shí)，它的特性是理想的，一旦頻率偏移，不論是隔離度還是輸入駐波比都將變差，故功分器的工作帶寬比較窄。本課題所用采用Wilkinson功分器。Wilkinson功分器是微波集成電路中最常用的功分

36、器。它可以用微帶線或者帶狀線實(shí)現(xiàn)。其電路圖如下： 圖3.10 Wilkinson功分器電路圖 圖3.11 Wilkinson功分器封裝圖其各個(gè)端口的參數(shù)的仿真曲線如下所示： 圖3.12 端口1和端口1到端口2的反射系數(shù) 圖3.13 端口1到3和端口3到2的反射系數(shù) 圖3.14 端口2、端口3到端口1的反射系數(shù)3.3 混頻器混頻器是接收支路中一個(gè)必要的元件?；祛l器的作用是，將高頻信號(hào)變?yōu)橹蓄l信號(hào)再進(jìn)行后續(xù)的處理?；祛l器是一個(gè)三端口器件，利用它的非線性特性將輸入信號(hào)頻率變換成多個(gè)頻率的組合。所以混頻器的輸出信號(hào)除了所需的頻率外，還有其他頻率組合，再通過(guò)濾波器濾除無(wú)用部分，得到所需頻率分量。本課題中

37、的混頻器是兩個(gè)信號(hào)信號(hào)相乘來(lái)進(jìn)行頻率變換的，即 （3-22）其中分別為本振和輸入信號(hào)的角頻率。輸出的混頻信號(hào)角頻率為（下變頻）或 （上變頻），從而實(shí)現(xiàn)變頻功能。本課題采用的是HITTITE公司的單平衡混頻器HMC272。HMC272是8引腳塑料表面貼裝微型小外形封裝（MSOP）的超微型單平衡混頻器 。這種被動(dòng)單片式微博集成電路（MMIC）混頻器由砷化鎵肖特基二極管和一個(gè)芯片上的新型平衡到不平衡變換器（“巴倫”）構(gòu)成。 RF端口通過(guò)MMIC平衡到不平衡變換器達(dá)到平衡而LO端口被直接連接到二極管。MMIC的相容性能將提高系統(tǒng)的運(yùn)行和確保系統(tǒng)合規(guī)性。HMC272的引腳圖如下： 圖3.15 引腳圖 單

38、平衡混頻器是平衡混頻器中最基本的形式。這種混頻器在RF和IF端相對(duì)于LO端之間具有好的隔離度，對(duì)寄生信號(hào)的較少有較顯著的作用，而且可以抵消中頻輸出中的直流成分，能夠較有效地抑制本振引入的調(diào)幅噪聲，從而改善混頻器的噪聲系數(shù)。除以上幾點(diǎn)以外，這種混頻器還能合理地使用本振功率，只需要較小的功率就能使混頻器正常工作。其示意圖如下： 3dB混合器低通濾波器射頻輸入 D1中頻輸出低通濾波器本振輸入 D2 射頻扼流圈 圖3.16 單平衡混頻器示意圖 如圖3.2所示，本振功率從本振端口輸入，由兩個(gè)共軛端口輸出，這兩個(gè)本振輸出電壓大小相等，相位相差90°1。信號(hào)從信號(hào)端口輸入，也由兩個(gè)共軛端口輸出，這

39、兩個(gè)電壓也相差90°。對(duì)于二極管D1，所在支路的信號(hào)和本振是： （3-23）D1上的中頻信號(hào)為： （3-24） 對(duì)于二極管D2，所在支路的信號(hào)和本振為： （3-25） D2上面的中頻信號(hào)為： （3-26） 從以上公式可以得出：兩個(gè)相為相反的中頻信號(hào)，其中一個(gè)經(jīng)反向二極管導(dǎo)向后，在中頻輸出端信號(hào)剛好相加。本課題采用的單平衡混頻器HMC272的電子參數(shù)如下表： 參數(shù)LO=+10dB,IF=100MHzLO=+10dB,IF=500MHz單位最小值典型值最大值最小值典型值最大值RF&LO的頻率范圍 23 1.72.8GHzIF的頻率范圍 DC-0.8 DC-0.8GHz變頻損耗91

40、0.5911dB噪聲系數(shù)（SSB）910.5911dBLO到RF的隔離度22302432dBLO到IF的隔離度12201118dBIP3（輸入）17211620dBm1dB壓縮（輸入）811710dBm 表3.3單平衡混頻器HMC272的參數(shù) 圖3.17 LO=+10dBm時(shí)不同溫度下的轉(zhuǎn)換增益和隔離度 圖3.18 LO=+10dB時(shí)回波損耗和IF轉(zhuǎn)換增益與IF回波損耗 圖3.19 IF不同頻率下的轉(zhuǎn)換增益和不同LO驅(qū)動(dòng)下的轉(zhuǎn)換增益 由參數(shù)表格3.1知，該型混頻器的RF和LO工作頻率范圍為23GHz，IF的頻率范圍是DC-0.8GHz，變頻損耗的典型值為9dB,LO到RF和IF的隔離度的典型值

41、為30dB. 該型混頻器各參數(shù)的絕對(duì)最大額定值見(jiàn)下表： RF/IF 輸入+13dB LO驅(qū)動(dòng)+27dB 儲(chǔ)存溫度-65150 工作溫度-4085 靜電敏感度1A 表3.4 絕對(duì)最大額定值3.4 移相器 本課題中，接收機(jī)接收到回波信號(hào)之后需要分成I/Q兩路與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，兩路相差為90°，這時(shí)就需要用到90°移相器。移相器簡(jiǎn)單地說(shuō)就是控制信號(hào)進(jìn)行相位變化的器件。移相器可分為模擬式和數(shù)字式兩種控制方式，反射型和傳輸型兩種工作方式和加載線型、開(kāi)關(guān)線型不同的拓?fù)潆娐?2。其中以加載線型和反射式移相器最為常用。本課題中要求對(duì)頻率為2.4GHz的本振信號(hào)進(jìn)行90°的相移，

42、用到的移相器電路圖如下： 圖3.20 對(duì)2.4GHz的本振進(jìn)行90°相移的移相器電路圖仿真曲線如下： 圖3.21 移相器仿真曲線 由圖3.21可知，當(dāng)頻率為2.4GHz是，經(jīng)過(guò)移相器輸出信號(hào)的與原信號(hào)相差為90°，符合本課題對(duì)本振信號(hào)的相移要求。3.5 接收支路的設(shè)計(jì)本課題的主要任務(wù)就是設(shè)計(jì)生命探測(cè)雷達(dá)的接收支路。本課題接收支路采用I/Q雙通道正交的模式，這在第二章第3節(jié)已經(jīng)闡述過(guò)。采用這種模式主要是為了消除盲點(diǎn)，有利于接收到的回波信號(hào)更好地進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理。如圖3.24所示，帶有目標(biāo)信息的信號(hào)經(jīng)由接收天線接收后與I/Q兩路本振信號(hào)分別混頻得到I/Q兩路差頻信號(hào)輸出。發(fā)射

43、信號(hào)為2.4GHZ，與帶有2HZ目標(biāo)信息的回波信號(hào)混頻后，分離得到2HZ的差頻信號(hào)（I/Q兩路）。接收天線增益為15dB,如圖3.22和3.23所示: 圖3.22 接收天線電路圖 圖3.23 接收天線的仿真曲線 在ADS軟件中，將接收天線和個(gè)電路模塊按相應(yīng)順序連接起來(lái)得到接收支路的總的電路圖如下： 圖3.24 接收支路的電路原理圖 圖3.25接收支路、I/Q兩通道仿真曲線 4 接收機(jī)的硬件測(cè)試在第三章中，進(jìn)行了接收電路個(gè)器件的設(shè)計(jì)與仿真，最后進(jìn)行了接收支路總的電路設(shè)計(jì)和相關(guān)參數(shù)的仿真。在本章中，將進(jìn)行接收機(jī)的PCB制作和最后的硬件電路的測(cè)試。4.1 接收機(jī)PCB板的制作印制電路板也稱(chēng)為印刷電路

44、板或者印制板，就是我們通常所說(shuō)的PCB。印制板是通過(guò)一定的制作工藝，在絕緣度非常高的基材上覆蓋上一層導(dǎo)電性能良好的銅薄膜構(gòu)成敷銅板，然后根據(jù)具體的PCB圖的要求，在敷銅板上蝕刻出PCB圖上的導(dǎo)線，并鉆出印制板安裝定位孔以及焊盤(pán)和導(dǎo)孔7。印制板的分類(lèi)比較多。根據(jù)板材的不同可分為敷銅板、玻璃布敷銅板和撓性塑料制作的撓性覆銅板，其中撓性覆銅板能夠承受較大的變形。根據(jù)電路板的結(jié)構(gòu)可分為單面板、雙面板和多面板。本課題中應(yīng)設(shè)計(jì)要求采用多面板。為了制作PCB板，首先進(jìn)行的是相關(guān)器件的PCB封裝。本課題中用到HITITE公司的混頻器HMC272和低噪聲放大器HMC286C。接收支路的元件引腳圖如下： 圖4.1 低噪聲放大器HMC286和混頻器HMC272引腳圖 然后按照設(shè)計(jì)好的電路原理圖進(jìn)行焊盤(pán)的設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行合理的布線，制作出接收機(jī)的PCB如下圖所示： 圖4.2 生命探測(cè)雷達(dá)接收機(jī)PCB4