一种解决FMCW雷达发射机功率泄漏的方法

摘要 针对3 mm波段调频连续波雷达发射信号泄漏问题，在分析泄漏机理的基础上，提出相应的对消技术改进方案，只要合理设定、调整两个支路间的耦合量和幅度衰减值，在保证参考信号与泄漏信号幅度基本相等的情况下，只需通过移相器调整对消信号的相位，便可达到对消泄漏信号的目的，降低了泄漏信号对接收机灵敏度的影响，实验结果与分析结果基本一致。
关键词 信号泄漏；矢量对消；调频连续波

    随着电子信息技术的迅速发展，雷达已应用于海、陆、空等各个领域，承担着军事和民用任务，可进行定位测速，搜索，侦查等，它不仅是夺取电磁频谱控制权的主要方面，也是获取目标信息和控制信息的主要手段。其中，具有抗侦察与抗干扰能力的"隐身雷达"——连续波雷达，容易在小峰值功率条件下获得大的时宽、带宽乘积，测距精度高，在频率域内抑制杂波能力强、没有速度模糊、体积小、重量轻，被截获概率低。然而，由于连续波体制雷达在时间上收发没有可分性，导致其发射机对接收机的影响不能像脉冲体制雷达那样可以采用收发开关来消除。另外由于受到体积、重量、成本等限制，大多数连续波体制的雷达导引头采用单天线技术，这样收发隔离不足使发射信号泄漏到接收机中将产生泄漏信号，信号泄漏将给连续波体制雷达带来如下两个问题。首先，强泄漏信号会使中放饱和，甚至使微波混频器或前置低噪声放大器饱和。其次，发射机泄漏信号的噪声边带落入到接收带宽之内将引起接收机灵敏度下降。
    所以设计时必须采取措施降低泄漏信号噪声对接收机灵敏度的影响。对消技术是解决FMCW雷达信号泄漏问题的一个常用方法。

1 对消技术的基本思想
    对消的基本思想是产生泄漏信号矢量的估计矢量，应用线性叠加原理和原矢量进行对消。为便于分析，先考虑单一矢量UL的情形。由数学分析得，矢量a、b及b的正交矢量b’存在如下关系
   
    通过式(2)可以得到如图1所示的矢量分解对消原理图，其中矢量a对应矢量UL，矢量b对应矢量Ur，矢量b’对应矢量Ur’。

    由图1(a)知，UL在Ur和Ur’上的投影分别为式(4)、式(5)
   
    根据以上分析，对消技术的系统原理框图如图2所示。

    雷达输出信号经耦合器分为两路：一路为发射信号；另一路为参考信号。由于收发隔离不够，发射信号将泄漏到接收通道。通过移相器与衰减器对参考信号的调整，使参考信号和泄漏信号幅度相等，相位相反进行叠加，便可与泄漏信号对消。
    在实际工程应用中，通常使用移相器、衰减器或矢量调制器对信号进行幅度和相位的调整，但在3 mm波波段，没有矢量调制器可供使用，所以使用衰减器和移相器进行幅度和相位的调整。


2 实验分析
    实验框图如图3所示。

    将信号源产生的3 mm信号通过耦合器分为两路，一路为将要被对消的信号，即泄漏信号，另一路为参考信号。
    实验时，通过合理设定、调整两个支路间的耦合量和幅度衰减值，使得参考信号与泄漏信号幅度基本相等，这样只需通过移相器调整对消信号的相位，使之与泄漏信号相反，便可达到对消的目的。实验中，用可变短路器起到3 mm移相器的作用。
    可变短路器和环形器组成的模块，通过改变可变短路器的长度，使信号通过传输线到短路点再反射回来，这时，相移是传输线电长度的两倍。依据传输线理论，线上两点之间的相位差，等于相移常数β和两点之间距离R的乘积，即与R成正比而与λg成反比
   
    其中，△φ为传输线上两点间的相位差；β是相移常数；λg为工作波长；R是传输线上两点间的距离差。
    当R或β改变时，相位差会有一个变化量，就可以实现移相的目的。可变短路器就是通过改变距离差实现的相位变化。

3 实验结果
    泄漏对消实验实物图如图4所示。

     图5，图6分别为泄漏对消前和对消后的信号幅度。

     由图5和图6知，对消前信号功率为-35．5 dBm，对消后信号功率为-76．33 dBm，可以得到40．83 dBc的隔离度改善。

4 结束语
    通过理论分析和实验证明，针对3mm调频连续波雷达发射信号泄漏问题，只要合理设定、调整两个支路间的耦合量和幅度衰减值，保证参考信号与泄漏信号幅度基本相等的情况下，只需通过移相器调整对消漏信号对接收机灵敏度的影响。实验测试结果证明这种方法有效可行。