專利名稱：單個天線時分控制方式fm－cw雷達的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及單個天線時分控制方式FM-CW雷達的發(fā)射接受切換，特別是涉及確實地進行發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的隔離的手段。
FM-CW雷達的原理如下。例如，用幾百Hz的三角波等對振蕩器進行FM調制后發(fā)射FM調制波，接收來自目標物體的反射信號，把FM調制波當作本地信號對接收信號進行FM檢波。來自目標物體的反射波，與雷達和目標物體的距離相對應地，此外，還與由相對速度產生的多普勒頻移相對應地產生與發(fā)射信號之間的偏離(差拍)。因此，就可以根據(jù)該頻率的偏離來測量與目標物體之間的距離和相對速度。
在FM-CW雷達裝置中，作為調制用信號大多使用三角波，在以下的敘述中，作為調制用信號雖然對使用三角波的情況進行說明，但是除三角波之外，也可以使用鋸齒波或梯形波等的調制波。


圖1示出了單個天線方式的FM-CW雷達的構成。如圖1所示，從調制信號發(fā)生器1給壓控振蕩器2加上調制用信號進行FM調制，通過環(huán)行器5從天線AT向外部發(fā)射FM調制波。然后，進行接收，用天線AT接收被前方車輛等的目標物體反射的反射信號，通過環(huán)行器5輸入給頻率變換器4。輸入進來的信號在頻率變換器4中與從通過定向耦合器3供給的來自壓控振蕩器2的輸出中分枝出來的本地信號進行混頻，產生差拍信號。
圖2是用來說明在與目標物體之間的相對速度為0的情況下的FM-CW雷達的原理的說明圖。在該情況下，發(fā)射波是三角波，頻率就像圖2(a)的實線那樣地變化。發(fā)射波的中心頻率為fo，F(xiàn)M調制寬度為Δf，重復周期為Tm。該發(fā)射波被目標物體反射后用天線接收，變成為圖2(a)的虛線所示的接收波。與目標物體之間的電波的往返時間，若設與目標物體之間的距離為r，電波的傳播速度為C，則將變成為T＝2r/C。
該接收波與和目標物體間的距離相對應地產生與發(fā)射信號之間的頻率的偏離(差拍)。該差拍頻率成分fb可以用下式表示。
fb＝fr＝(4·Δf/C·Tm)r(1)另一方面，圖3是用來說明與目標物體之間的相對速度為v的情況下的FM-CW雷達的原理的說明圖。發(fā)射波的頻率如圖3(a)的實線所示的那樣變化。該發(fā)射波被目標物體反射后用天線進行接收，變成為用圖3(a)的虛線所示的接收波。該接收波與雷達和目標物體之間的距離相對應地產生與發(fā)射信號之間的頻率的偏離(差拍)。在該情況下，由于在與目標物體之間具有相對速度v，故變成為多普勒頻移，差拍頻率成分fb可以用下式表示。
fb＝fr±fd (2)＝(4·Δf/C·Tm)r±(2·fo·C)v在上述式(1)、(2)中，各個標號的意義如下。
fb發(fā)射接受差拍頻率fr距離頻率fd速度頻率fo發(fā)射波的中心頻率ΔfFM調制寬度Tm調制波的周期C光速(電波的速度)T到目標物體為止的電波的往返時間r到目標物體為止的距離v與目標物體之間的相對速度這樣一來，就可以根據(jù)上述式(1)、(2)求到目標物體為止的距離和與目標物體之間的相對速度。
在這里，若考慮差拍信號的功率，則天線的接收功率Pr可以用式(3)表示Pr＝{(G2·λ2·σ·Pt)/((4π)3·r4)}·La (3)而差拍輸出功率Pb則可以用式(4)表示Pb＝Pr·Cmix (4)在上述式(3)、(4)中，各個標號的意義如下。
G天線增益λ波長σ反射物體面積Pf發(fā)射功率r到目標物體為止的距離La大氣衰減Cmin在混頻器中的損耗另一方面，單個天線時分控制方式FM-CW雷達，把天線當作發(fā)射接受用天線AT，具備由切換手段構成的發(fā)射接受切換部分，借助于時分控制進行發(fā)送接受切換。
但是，在單個天線時分控制方式FM-CW雷達的情況下，為了交互地切換發(fā)射的定時和接收的定時，發(fā)射功率常常會通過發(fā)送接受切換部分漏泄到接收系統(tǒng)里來。歸因于此，就會發(fā)生下述問題接收系統(tǒng)的飽和增益的壓縮的發(fā)生、發(fā)射接受切換頻率向接收系統(tǒng)的漏泄的增加、或FM-CW變換噪聲的增加等。發(fā)明的目的因此，本發(fā)明的目的在于在單個天線時分控制方式FM-CW雷達中，改善發(fā)射接受間的隔離，使得發(fā)射功率不會通過發(fā)射接受切換部分向接收系統(tǒng)漏泄。
本發(fā)明的FM-CW雷達，是一種具備發(fā)射接受天線和發(fā)射接受切換部分，借助于時分切換發(fā)射接受的單個天線時分控制方式FM-CW雷達，在含有發(fā)射接受切換部分的發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的信號路徑中分別設置放大器，具有與發(fā)射和接受定時相吻合地使設置在發(fā)送系統(tǒng)中的放大器和設置在接收系統(tǒng)中的放大器交替地動作的控制手段，進行發(fā)射接受的切換。
放大器的動作，采用控制放大器的增益的辦法進行。此外，放大器的動作可以進行接通(ON)動作和切斷(OFF)動作。
放大器進行多級連接，在發(fā)送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的信號路徑中，分別在多個部位設置有多級連接起來的放大器。
此外，也可以使在設置在發(fā)送系統(tǒng)的信號路徑內的本地信號分枝部分內與放大器串聯(lián)地設置的倍頻器進行通斷，與放大器一起進行發(fā)射接受切換動作的一部分。
此外，作為發(fā)射接受切換部分可以使用無源元件，作為無源元件，可以使用厚膜電路或Y型功率分配器。發(fā)明的效果在本發(fā)明中，在單個天線時分控制方式FM-CW雷達中，由于在發(fā)送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的信號路徑內分別設置放大器，采用使該放大器的偏置電壓變化的辦法，使這些放大器進行通斷，使發(fā)送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)隔離開來，故可以確實地進行隔離。此外，采用在每一個發(fā)送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)中的多個部位設置放大器，而這些放大器多級地進行設置的辦法，可以更加確實地使發(fā)送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)進行隔離，而且也易于進行調整。
此外，由于把厚膜電路或Y型功率分配器等無源元件用做發(fā)送接受切換部分，故可以降低功耗，此外，由于不再需要在發(fā)送接受切換部分中使用的開關，故去掉了偏置條件不同的IC，縮小偏置用電路的規(guī)模，因而，可以降低造價。
此外，采用用倍頻器進行發(fā)射接受的切換，或者在倍頻器之前設置放大器(A1、A2)，使之在低的頻段進行動作的辦法，可以以良好的效率實現(xiàn)發(fā)射接收間的隔離。
這樣一來，如上所述采用實現(xiàn)發(fā)射接受間的隔離的辦法，就可以滿意地得到接收增益，就可以降低切換頻率向差拍信號的漏泄，降低FM-AM變換噪聲，就可以改善接收機S/N比。歸因于此，就可以提高雷達的探測性能。
圖2是說明FM-CW雷達的原理的說明圖。
圖3是說明FM-CW雷達的原理的說明圖。
圖4示出了本發(fā)明適用的單個天線時分控制方式FM-CW雷達的構成。
圖5示出了圖4所示的單個天線時分控制方式FM-CW雷達的IF信號的頻譜和差拍信號的頻譜。
圖6示出了單個天線時分控制方式FM-CW雷達的發(fā)射接受的定時。
圖7的曲線圖示出了加在壓控振蕩器上的電壓和輸出頻率、輸出功率及借助于AM檢波而產生的電壓的關系。
圖8示出了從調制信號發(fā)生器供往壓控振蕩器的信號電壓和借助于AM檢波而產生的電壓的波形。
圖9示出了單個天線時分控制方式FM-CW雷達的構成的一個例子。
圖10示出了本發(fā)明的單個天線時分控制方式FM-CW雷達的構成。
圖11示出了放大器A的構成的一個例子。
圖12的曲線圖示出了在使柵極G或漏極D的偏置電壓變化的情況下的放大器A的增益的變化。
圖13示出了厚膜電路的例子。
圖14示出了Y型功率分配器的例子。
圖15是說明在發(fā)送接受切換部分中使用厚膜電路的情況下的漏泄的發(fā)生的說明圖。
圖16示出了MMIC開關。
圖17示出了使厚膜電路與放大器組合起來使用的構成。
發(fā)明的詳細說明以下，參看附圖更為詳細地對本發(fā)明進行說明。
圖4示出了使用本發(fā)明的單個天線時分控制方式FM-CW雷達的構成。在圖4中，具備以天線為發(fā)射接受用天線AT，由開關手段構成的發(fā)送接受切換部分6，借助于時分控制進行發(fā)射接受切換。此外，在接受一側，設置有第1頻率變換器4-1和第2頻率變換器4-2。
從調制信號發(fā)生器1把調制用信號加到壓控振蕩器2上進行FM調制后的輸出，通過發(fā)送接受切換部分6從天線AT向外部發(fā)射。7是調制信號發(fā)生器，為了使發(fā)送接受切換部分6進行切換，就要產生頻率為fsw的調制信號。
用天線AT接收被前方車輛等反射的反射信號通過發(fā)送接受切換部分6進行輸入，與在第1頻率變換器4-1中從通過定向耦合器3供給的來自壓控振蕩器2的輸出中分枝出來的本地信號進行混頻，變成為IF信號。第2頻率變換器4-2，使從第1頻率變換器4-1輸出出來的信號與從調制信號發(fā)生器7產生的頻率fsw的信號進行混頻以進行向下變頻，產生含有與目標物體之間的距離和相對速度的信息的差拍信號。
圖5示出了本身為圖4的單個天線時分控制FM-CW雷達方式的第1頻率變換器4-1的輸出信號的IF信號的頻譜和從第2頻率變換器4-2輸出的差拍信號的頻譜的一個例子。如圖5(a)所示，IF信號的頻譜將變成為頻率fsw與其邊帶的頻率fsw±fr。其中，fsw是發(fā)送接受切換部分6的切換頻率，fr是相對速度為0的情況下的到目標物體為止的距離頻率。因此，與目標物體之間的距離越遠，則邊帶的頻率就離fsw越遠。該輸出信號在第2頻率變換器4-2中與頻率fsw混頻向下變頻為fsw與fsw±fr之差的頻率，如圖5(b)所示，就可以取出具有頻譜fb的差拍信號。
圖6示出了單個天線時分控制方式FM-CW雷達的發(fā)射接受的定時。如(a)所示，當用具有周期T的定時進行發(fā)射時，在目標處反射而返回來的反射波的定時將變成為(b)那樣。但是，在本身為可以接收的期間的接收定時，如(c)所示，將變成為不與定時(a)重疊的定時。因此，可以接收反射波的定時，如(d)所示，變成為td的期間。
對FM-AM變換噪聲的增加進行說明。在對使用變容管的壓控振蕩器或使柵極電壓可變的壓控振蕩器進行調制的情況下，取決于要加在變容管上的電壓或加在柵極上的電壓，從壓控振蕩器輸出的信號的頻率和功率會發(fā)生變化。圖7的曲線圖示出了加在變容管或柵極上的電壓與頻率、功率等的關系。
如圖7(a)所示，當使加在變容管或柵極上的電壓VT以Vc為中心變化成Va和Vb時，頻率就以fc為中心變換成fa和fb。圖7(b)的曲線示出了電壓VT與功率之間的關系。功率變成為恒定的值Pc，而不會變化，是理想的。但是，如圖7(b)所示，實際上卻以Pc為中心變化成Pa和Pb。
另一方面，在頻率變換器中，歸因于AM檢波而產生的電壓Vd由于會相應于功率P而變化，故如圖7(c)所示，將以Vdc為中心變化為Vda和Vdb。
圖8示出了從調制信號發(fā)生器向壓控振蕩器供給的信號和在該情況下的電壓Vd的波形。圖8(a)是從調制信號發(fā)生器供往壓控振蕩器的信號，如圖所示，變成為三角波。另一方面，在把圖8(a)所示的信號電壓供往壓控振蕩器的情況下，如圖7(b)所示，由于功率P也將變化，故如圖8(b)所示，電壓Vd的波形，同樣將變成為三角波，變成為FM-AM變換噪聲。
圖9示出了單個天線時分控制方式FM-CW雷達的構成的一個例子。從調制信號發(fā)生器1給壓控振蕩器2加上調制用信號進行FM調制，F(xiàn)M調制后的調制波輸入給本地信號分枝部分8。FM調制波例如是38GHz波段。本地信號分枝部分8具有厚膜電路H等無源元件、放大器A1、A2和倍頻器T1、T2，來自厚膜電路H的輸出，通過放大器A1、倍頻器T1被供往放大器A3、A4。來自厚膜電路H的另一方的輸出，則通過放大器A2、倍頻器T2，作為本地信號被供往頻率變換器4-1。來自厚膜電路H的輸出，用倍頻器T1、T2進行倍頻，例如變成為76GHz。放大器A3、A4的輸出通過發(fā)送接受切換部分6從發(fā)射接受天線AT向外部發(fā)射。發(fā)射出去的調制波，被前方車輛等的目標物體反射，用天線AT進行接收，并通過發(fā)送接受切換部分6、放大器A5、A6和放大器A7、A8輸入給頻率變換器4-1。然后，與來自倍頻器T2的本地信號進行混頻，變成為IF信號。在圖9中，Vcc是提供給放大器的電源。7是調制信號發(fā)生器，產生用來使發(fā)送接受切換部分6進行切換的頻率為fsw的調制信號。從頻率變換器4-1輸出的IF信號在頻率變換器4-2中與從調制信號發(fā)生器輸出的頻率為fsw的信號進行混頻，向下變頻以產生含有與目標物體之間的距離和相對速度的信息的差拍信號。
在圖9所示的構成的情況下，如上所述，由于借助于發(fā)送接受切換部分6交替地切換發(fā)射和接收定時，故存在著發(fā)射功率會通過發(fā)送接受切換部分6漏泄到接收系統(tǒng)中去的問題。本發(fā)明就是要解決這樣的問題。
圖10示出了本發(fā)明的單個天線時分控制方式FM-CW雷達的構成。由于基本的構成與圖9是一樣的，故說明那些與圖9不同的部分。在圖10中，作為發(fā)送接受切換部分6，具備發(fā)射一側放大器A10、A11、A12，作為發(fā)射接受共用器的厚膜電路H等的無源元件以及接受一側放大器A20、A21。因此，在圖示的狀態(tài)下，作為偏壓，給發(fā)射系統(tǒng)的放大器A1、A3、A4、A10、A11、A12加上VA，變成為動作狀態(tài)，變成為ON。作為偏壓，給接收系統(tǒng)的放大器A20、A21、A5、A6、A7、A8加上VB，變成為非動作狀態(tài)，變成為OFF。另外，給放大器A2加上通常的電源電壓Vcc，總是把本地輸出供往頻率變換器4-1。上述偏壓VA、VB交替地加到發(fā)射一側和接收一側。例如，在發(fā)射時，給發(fā)送系統(tǒng)的放大器加上偏壓VA使發(fā)送系統(tǒng)的放大器動作，在接收時，給接收系統(tǒng)的放大器加上偏壓VB使接收系統(tǒng)的放大器動作。借助于此，在發(fā)射時接收系統(tǒng)的放大器就變成為OFF，而在接收時，發(fā)送系統(tǒng)的放大器則變成為OFF而被斷開，故發(fā)射功率不會向接收系統(tǒng)漏泄。但是，在該情況下，并非一定要是使放大器進行ON、OFF動作的偏壓不可，只要是能變成為使發(fā)射功率不會向接收系統(tǒng)漏泄的那種程度的動作、非動作即可。
圖11示出了放大器A的構成。信號從柵極G輸入，從漏極D輸出。圖12的曲線圖示出了在使柵極G或漏極D的偏置電壓變化的情況下的放大器A的增益的變化。(a)示出的是使柵極電壓VG變成為恒定使漏極D的偏壓從VB變化成VA的情況下的增益的變化。在加上偏壓VB時，增益變成為GB，變低。這時，放大器A幾乎不動作，實質上變成為OFF狀態(tài)。另一方面，在加上偏壓VA時，放大器A變成為動作狀態(tài)，變成為ON狀態(tài)。
(b)示出的是使漏極偏壓VD變成為恒定，使柵極的偏壓從VB變換成VA的情況下的增益的變化。在加上偏壓VB時，增益變成為GB，變低。這時，放大器A幾乎不動作，實質上變成為OFF狀態(tài)。另一方面，在加上偏壓VA時，增益GA增加，放大器A變成為動作狀態(tài)，變成為ON狀態(tài)。
如上所述，采用使柵極或漏極的偏壓變化的辦法，就可以把放大器A的動作控制為ON、OFF。因此，在圖10中，在發(fā)射時就使發(fā)送系統(tǒng)的放大器的偏壓變成為VA變成為ON狀態(tài)，另一方面使接收系統(tǒng)的放大器A的偏壓變成為VB變成為OFF狀態(tài)。這樣一來，在接收時借助于使之變成為與上述相反的辦法，就可以實現(xiàn)發(fā)送系統(tǒng)與接收系統(tǒng)的隔離。
在圖10所示的構成中，本地信號分枝部分8的放大器A1、A2配置在倍頻器T1、T2前邊，在低的頻段中進行放大。這是因為在低的頻段一方易于制作放大器，此外，易于使之進行ON、OFF動作的緣故。
此外，在圖10所示的構成中，雖然使用多個放大器進行多級連接，但也可以使用單個放大器。但是，采用使多個放大器進行多級連接的辦法，比起單個的情況來，將確實地進行隔離，且變得易于進行調整。此外，由于發(fā)送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)都在多個部位設置放大器，故借助于使它們同時進行ON、OFF，就可以確實地進行隔離。
此外，在上述的說明中，雖然說明的是借助于放大器進行發(fā)射接受的切換，但是，也可以采用在發(fā)射一側中使設置在圖10的本地信號分枝部分8處的倍頻器T1進行ON、OFF的辦法，與放大器一起進行發(fā)射接受的切換。倍頻器的構成，與圖11所示的構成是同樣的。特性也可以像圖12所示的那樣表示。與放大器之間的不同，在于在圖12中橫軸的電壓絕對值不同，縱軸是頻率變換增益，絕對值不同。倍頻器的動作與放大器幾乎是一樣的。
此外，可以把厚膜電路或Y型功率分配器等的無源元件用做連接到天線上的發(fā)送接受切換部分。厚膜電路的例子示于圖13，而Y型功率分配器的例子示于圖14。圖13是圓形軌道(rut race)形厚膜電路。例如，在使用厚膜電路H的情況下，如用15的虛線所示，就會產生漏泄，發(fā)射接受間就不能進行充分隔離。于是，以往，例如使用圖16所示的MMIC開關，采用在正在發(fā)射時不接收，不進行發(fā)射時則進行接收的辦法使發(fā)射接受進行隔離。
盡管用厚膜電路H不能使發(fā)射接受間充分地隔離，但是，如圖17所示，采用把厚膜電路H和放大器組合起來，使發(fā)送系統(tǒng)放大器At和接收系統(tǒng)放大器Ar交替地進行ON、OFF動作以進行發(fā)射接受的切換的辦法，就可以與使用開關的情況下同樣地，可以充分地使發(fā)射接受間進行隔離。為此，在發(fā)送接受切換部分中就可以使用厚膜電路H。Y型功率分配器的情況也是同樣的。
權利要求
1.一種單個天線時分控制方式FM-CW雷達，具備發(fā)射接受天線和發(fā)射接受切換部分，借助于時分切換發(fā)射接受，其特征在于在含有上述發(fā)射接受切換部分的發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)及接收系統(tǒng)的信號路徑中分別設置放大器，具有與發(fā)射和接受定時相吻合地使設置在該發(fā)送系統(tǒng)中的放大器和設置在該接收系統(tǒng)中的放大器動作的控制手段，使該放大器交替地進行動作以進行發(fā)射接受的切換。
2.根據(jù)權利要求1所述的單個天線時分控制方式FM-CW雷達，其特征在于上述放大器的動作，采用控制放大器的增益的辦法進行。
3.根據(jù)權利要求1所述的單個天線時分控制方式FM-CW雷達，其特征在于上述放大器的動作是接通(ON)、切斷(OFF)動作。
4.根據(jù)權利要求1所述的單個天線時分控制方式FM-CW雷達，其特征在于上述放大器進行多級連接。
5.根據(jù)權利要求1所述的單個天線時分控制方式FM-CW雷達，其特征在于上述放大器在發(fā)送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的信號路徑中，分別設置在多個部位。
6.根據(jù)權利要求1所述的單個天線時分控制方式FM-CW雷達，其特征在于使在設置在上述發(fā)送系統(tǒng)的信號路徑內的本地信號分枝部分內與放大器串聯(lián)地設置的倍頻器進行通斷，與放大器一起進行發(fā)射接受切換動作的一部分。
7.根據(jù)權利要求1所述的單個天線時分控制方式FM-CW雷達，其特征在于作為上述發(fā)射接受切換部分，無源元件連接到天線上。
8.根據(jù)權利要求7所述的單個天線時分控制方式FM-CW雷達，其特征在于上述無源元件，是厚膜電路或Y型功率分配器。
全文摘要
在單個天線時分控制方式FM－CW雷達中，在發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)中分別設置放大器，與發(fā)射和接受定時相吻合地使設置在發(fā)送系統(tǒng)中的放大器和設置在接收系統(tǒng)中的放大器交替地動作，進行發(fā)射接受的切換。放大器的動作采用對增益進行控制的辦法進行。歸因于作成為這樣的構成，使得可以改善發(fā)射接受間的隔離，使發(fā)射功率不會通過發(fā)送接受切換部分漏泄到接收系統(tǒng)中去。
文檔編號G01S13/34GK1392958SQ01803031
公開日2003年1月22日 申請日期2001年10月12日 優(yōu)先權日2000年10月12日
發(fā)明者生野雅義 申請人:富士通天株式會社