本發(fā)明涉及一種多普勒雷達裝置，特別是涉及一種多普勒雷達前端模塊裝置，應(yīng)用于雷達技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

雷達傳感器作為一種微波探測設(shè)備，通過發(fā)射和接收電磁波，探測物體的物理特征。典型的雷達傳感器中發(fā)射機和接收機的電路是分離的，并且收發(fā)天線各自獨立，所以該類雷達傳感器的體積相對偏大，成本相對偏高。雖然，環(huán)形器或雙工器的應(yīng)用，使得整個雷達系統(tǒng)可以復(fù)用一個天線，但是，后端的電路還是分為典型的發(fā)射機和接收機，電路面積較大。傳統(tǒng)的天線設(shè)計和電路實現(xiàn)方式難以適合小型化、便攜性、隱蔽性要求的應(yīng)用場景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種收發(fā)一體多普勒雷達前端模塊，采用收發(fā)一體的架構(gòu)形式，使用單個收發(fā)共用天線減小了雷達系統(tǒng)的尺寸，有利于雷達系統(tǒng)小型化設(shè)計、實現(xiàn)方法簡單，并且有效降低了雷達系統(tǒng)的成本，適用于障礙物檢測、測速、測角等雷達應(yīng)用場合。

為達到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種收發(fā)一體多普勒雷達前端模塊，包括收發(fā)共用天線、收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)和濾波器，上述三部分使雷達傳感器的發(fā)射機前端鏈路和接收機前端鏈路融合為一體，形成收發(fā)一體的雷達前端模塊，所述收發(fā)共用天線能將發(fā)射信號輻射到自由空間，并且能接收在自由空間中的目標回波信號，將接收到的目標回波信號輸入至收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)；所述收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)能產(chǎn)生發(fā)射用的特定頻率的射頻信號，作為原始發(fā)射信號，并將射頻信號向所述收發(fā)共用天線傳輸，然后通過所述收發(fā)共用天線輻射向自由空間，而且所述收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)還能夠接收到來自所述收發(fā)共用天線輸出的目標回波信號，并將接收到的目標回波信號與原始發(fā)射信號進行混頻，所述濾波器采用呈現(xiàn)低通特性的濾波電路，所述濾波器能濾除混頻后的高次諧波分量，提取基次諧波分量，獲得目標回波的特征信號，經(jīng)過所述濾波器濾波后的信號能進行輸出，做后續(xù)的進一步的信號處理。

上述濾波器優(yōu)選由集總參數(shù)元件和分布參數(shù)元件構(gòu)成。

上述收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)優(yōu)選由集總參數(shù)元件、分布參數(shù)元件和三端口器件構(gòu)成。

作為上述方案的進一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述三端口器件采用晶體管或場效應(yīng)管，并且所述三端口器件設(shè)置在所述收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)中，所述三端口器件的各端口分別對應(yīng)連接由所述集總參數(shù)元件和所述分布參數(shù)元件構(gòu)成的電路，能產(chǎn)生特定頻率的連續(xù)波信號，同時所述三端口器件也能將由收發(fā)一體天線傳來的目標回波信號與原始發(fā)射信號進行混頻，并將混頻信號通過一個端口輸出，向所述濾波器傳輸。

作為上述方案的進一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述收發(fā)一體射頻電路能通過所述三端口器件進行單端口負阻振蕩，并能將所產(chǎn)生的振蕩信號作為本地振蕩信號和所述三端口器件接收到的目標回波信號進行混頻，然后通過所述三端口器件的一個端口，將混頻信號向所述濾波器傳輸。

作為上述方案的進一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的三端口器件采用場效應(yīng)管，將場效應(yīng)管的源極連接反饋網(wǎng)絡(luò)模塊，調(diào)節(jié)所述反饋網(wǎng)絡(luò)模塊，使場效應(yīng)管不穩(wěn)定來產(chǎn)生單頻點本地振蕩信號，所述場效應(yīng)管的柵極連接匹配網(wǎng)絡(luò)模塊，所述匹配網(wǎng)絡(luò)模塊在調(diào)諧振蕩頻率點與所述收發(fā)共用天線進行匹配，用于所述匹配網(wǎng)絡(luò)模塊和所述收發(fā)共用天線進行雷達信號交換，傳輸rx信號和tx信號，所述場效應(yīng)管的漏極輸出本地振蕩信號和接收信號完成混頻后的信號，將混頻信號通過漏極向所述濾波器傳輸，通過所述濾波器濾除高頻分量，來提取目標回波的特征信號。

作為上述方案的進一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的三端口器件采用晶體管，將晶體管的發(fā)射極連接反饋網(wǎng)絡(luò)模塊，調(diào)節(jié)所述反饋網(wǎng)絡(luò)模塊，使晶體管不穩(wěn)定來產(chǎn)生本地振蕩信號，所述晶體管的基極連接匹配網(wǎng)絡(luò)模塊，所述匹配網(wǎng)絡(luò)模塊在調(diào)諧振蕩頻率點與所述收發(fā)共用天線進行匹配，用于所述匹配網(wǎng)絡(luò)模塊和所述收發(fā)共用天線進行雷達信號交換，傳輸rx信號和tx信號，所述晶體管的集電極輸出本地振蕩信號和接收信號完成混頻后的信號，將混頻信號通過漏極向所述濾波器傳輸，通過所述濾波器濾除高頻分量，來提取目標回波的特征信號。

作為上述方案的進一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述反饋網(wǎng)絡(luò)模塊由以金屬化過孔接地的第一微帶線和第二微帶線構(gòu)成，引入串聯(lián)反饋量，使所述收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)的電路滿足不穩(wěn)定條件；所述匹配網(wǎng)絡(luò)由第三微帶線構(gòu)成，并且以第一隔直電容濾除直流分量；設(shè)置第一微帶扇形偏置網(wǎng)絡(luò)和第二微帶扇形偏置網(wǎng)絡(luò)對所述收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)電路中的射頻信號成開路狀態(tài)，并導(dǎo)通直流電壓，以此構(gòu)成了三端口器件的直流偏置網(wǎng)絡(luò)，使三端口器件的端口處于設(shè)定的電壓工作點。

作為上述方案的進一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述濾波器由第一微帶扇形線、第二微帶扇形線、第三微帶扇形線和高阻抗線構(gòu)成，所述濾波器輸入端與所述三端口器件的一個端口信號連接，所述第一微帶扇形線在所述濾波器輸入端構(gòu)成射頻信號的短路點，阻隔射頻信號流入后端電路，并且由第一微帶扇形線、第二微帶扇形線和高阻抗線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)進一步阻隔射頻信號流入后端電路，使所述濾波器實現(xiàn)了低通濾波，能夠?qū)繕嘶夭ㄐ盘栔械幕鶐卣餍盘?，抑制混頻后的高頻分量；濾波后的信號經(jīng)第二隔直電容濾除直流分量后輸出，做后續(xù)的進一步的信號處理。

上述收發(fā)共用天線優(yōu)選采用縫隙天線。

作為上述方案的進一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述收發(fā)共用天線采用在基片集成波導(dǎo)上開縫隙的形式形成縫隙天線，其中，上導(dǎo)體和下導(dǎo)體通過按設(shè)定間距排列的金屬化過孔連接，并且由一系列金屬化過孔作為邊界，在上導(dǎo)體上分別構(gòu)成彼此連通的第一腔體、第二腔體和第三腔體，所述第二腔體和第三腔體采用并列緊鄰區(qū)域方式進行設(shè)置，所述第一腔體形成過道區(qū)域，使所述第二腔體和第三腔體位于所述第一腔體的同一側(cè)，在所述第一腔體的另一側(cè)連接饋線，所述第二腔體和第三腔體區(qū)域分別開口與第一腔體連通，在下導(dǎo)體上分別設(shè)置第一縫隙和第二縫隙，兩個所述縫隙的設(shè)置位置分別對應(yīng)第二腔體和第三腔體的區(qū)域位置，兩個所述縫隙能對外部自由空間輻射電磁波和接收電磁波，所述饋線與收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)信號連接，進行rx信號和tx信號的傳輸。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點：

1.本發(fā)明使用單個收發(fā)共用天線減小了雷達系統(tǒng)的尺寸；

2.本發(fā)明采用單個晶體管或者場效應(yīng)管實現(xiàn)收發(fā)一體電路，進一步減小雷達系統(tǒng)的尺寸；

3.本發(fā)明采用收發(fā)一體的設(shè)計形式，有效降低了雷達系統(tǒng)的整機成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例一收發(fā)一體多普勒雷達前端模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例一收發(fā)一體射頻電路和濾波器基于場效應(yīng)管的信號系統(tǒng)原理圖。

圖3為本發(fā)明實施例二收發(fā)一體射頻電路和濾波器基于晶體管的信號系統(tǒng)原理圖。

圖4為本發(fā)明實施例一的收發(fā)共用天線的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例一收發(fā)共用的s11參數(shù)測試結(jié)果曲線圖。

圖6為本發(fā)明實施例一收發(fā)一體射頻電路和濾波器的信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明實施例一發(fā)射信號頻譜圖。

圖8為本發(fā)明實施例一輸出信號頻譜圖。

具體實施方式

本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下：

實施例一：

在本實施例中，參見圖1，一種收發(fā)一體多普勒雷達前端模塊，包括收發(fā)共用天線100、收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)200和濾波器300，上述三部分使雷達傳感器的發(fā)射機前端鏈路和接收機前端鏈路融合為一體，形成收發(fā)一體的雷達前端模塊，收發(fā)共用天線100能將發(fā)射信號輻射到自由空間，并且能接收在自由空間中的目標回波信號，將接收到的目標回波信號輸入至收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)200；收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)200能產(chǎn)生發(fā)射用的特定頻率的射頻信號，作為原始發(fā)射信號，并將射頻信號向收發(fā)共用天線100傳輸，然后通過收發(fā)共用天線100輻射向自由空間，而且收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)200還能夠接收到來自收發(fā)共用天線100輸出的目標回波信號，并將接收到的目標回波信號與原始發(fā)射信號進行混頻，濾波器300采用呈現(xiàn)低通特性的濾波電路，濾波器300能濾除混頻后的高次諧波分量，提取基次諧波分量，獲得目標回波的特征信號，經(jīng)過濾波器300濾波后的信號能進行輸出，做后續(xù)的進一步的信號處理，參見圖1。

在本實施例中，參見圖1、圖2和圖6，濾波器300由集總參數(shù)元件和分布參數(shù)元件構(gòu)成。

在本實施例中，參見圖1、圖2和圖6，收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)200由集總參數(shù)元件、分布參數(shù)元件和三端口器件220構(gòu)成。

在本實施例中，參見圖1、圖2、圖4和圖6，的三端口器件220采用晶體管或場效應(yīng)管，并且三端口器件220設(shè)置在收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)200中，三端口器件220的各端口分別對應(yīng)連接由集總參數(shù)元件和分布參數(shù)元件構(gòu)成的電路，能產(chǎn)生特定頻率的連續(xù)波信號，同時三端口器件220也能將由收發(fā)一體天線100傳來的目標回波信號與原始發(fā)射信號進行混頻，并將混頻信號通過一個端口輸出，向濾波器300傳輸。

在本實施例中，參見圖1、圖2和圖6，收發(fā)一體射頻電路200能通過三端口器件220進行單端口負阻振蕩，并能將所產(chǎn)生的振蕩信號作為本地振蕩信號和所述三端口器件(220)接收到的目標回波信號進行混頻，然后通過三端口器件220的一個端口，將混頻信號向濾波器300傳輸。

在本實施例中，參見圖1、圖2、圖4和圖6，的三端口器件220采用場效應(yīng)管，將場效應(yīng)管的源極連接反饋網(wǎng)絡(luò)模塊230，調(diào)節(jié)反饋網(wǎng)絡(luò)模塊230，使場效應(yīng)管不穩(wěn)定來產(chǎn)生單頻點本地振蕩信號，場效應(yīng)管的柵極連接匹配網(wǎng)絡(luò)模塊210，匹配網(wǎng)絡(luò)模塊210在調(diào)諧振蕩頻率點與收發(fā)共用天線100進行匹配，用于匹配網(wǎng)絡(luò)模塊210和收發(fā)共用天線100進行雷達信號交換，傳輸rx信號和tx信號，場效應(yīng)管的漏極輸出本地振蕩信號和接收信號完成混頻后的信號，將混頻信號通過漏極向濾波器300傳輸，通過濾波器300濾除高頻分量，來提取目標回波的特征信號。在本實施例中，收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)200和濾波器300采用圖2所示的基于場效應(yīng)管的形式，其核心器件為場效應(yīng)管，采用瑞薩公司nec所生產(chǎn)的ne3514s02，在本實施例中所加載的直流偏置條件為漏極施加2伏特正電壓，柵極施加0.6伏特負電壓。場效應(yīng)管的源極連接反饋網(wǎng)絡(luò)模塊230，調(diào)節(jié)反饋網(wǎng)絡(luò)模塊230，使場效應(yīng)管不穩(wěn)定來產(chǎn)生單頻點本地振蕩信號。場效應(yīng)管的柵極連接匹配網(wǎng)絡(luò)模塊210，調(diào)諧振蕩頻率點為15.849ghz，并且匹配網(wǎng)絡(luò)模塊210在調(diào)諧振蕩頻率點與收發(fā)共用天線100匹配，用于傳輸rx信號和tx信號。場效應(yīng)管的漏極輸出本地振蕩信號和接收信號混頻后的信號，通過設(shè)計濾波器300濾除高頻分量，提取目標回波的特征信號。本實施例采用單個場效應(yīng)管實現(xiàn)收發(fā)一體電路，進一步減小雷達系統(tǒng)的尺寸。

在本實施例中，參見圖1、圖2、圖4和圖6，圖6是收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)200和濾波器300的版圖，其中，場效應(yīng)管的源極由兩個引腳引出。反饋網(wǎng)絡(luò)模塊230由以金屬化過孔接地的第一微帶線231和第二微帶線232構(gòu)成，引入串聯(lián)反饋量，使收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)200的電路滿足不穩(wěn)定條件；匹配網(wǎng)絡(luò)210由第三微帶線211構(gòu)成，并且以第一隔直電容212濾除直流分量；設(shè)置第一微帶扇形偏置網(wǎng)絡(luò)241和第二微帶扇形偏置網(wǎng)絡(luò)242對收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)200電路中的射頻信號成開路狀態(tài)，并導(dǎo)通直流電壓，以此構(gòu)成了三端口器件220的直流偏置網(wǎng)絡(luò)，使三端口器件220的端口處于設(shè)定的電壓工作點。在本實施例中，收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)200工作時，在場效應(yīng)管的漏極施加2伏特正電壓，柵極施加0.6伏特負電壓。

在本實施例中，參見圖1、圖2、圖4和圖6，濾波器300由第一微帶扇形線301、第二微帶扇形線303、第三微帶扇形線304和高阻抗線302構(gòu)成，濾波器300輸入端與三端口器件220的一個端口信號連接，第一微帶扇形線301在濾波器300輸入端構(gòu)成射頻信號的短路點，阻隔射頻信號流入后端電路，并且由第一微帶扇形線303、第二微帶扇形線304和高阻抗線302構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)進一步阻隔射頻信號流入后端電路，使濾波器300實現(xiàn)了低通濾波，能夠?qū)繕嘶夭ㄐ盘栔械幕鶐卣餍盘?，抑制混頻后的高頻分量；在圖6中，濾波后的信號經(jīng)第二隔直電容305濾除直流分量后輸出，做后續(xù)的進一步的信號處理。

在本實施例中，參見圖1、圖4和圖6，收發(fā)共用天線100采用縫隙天線。

在本實施例中，參見圖1、圖4和圖6，收發(fā)共用天線100采用在基片集成波導(dǎo)上開縫隙的形式形成縫隙天線，其中，上導(dǎo)體101和下導(dǎo)體102通過按設(shè)定間距排列的金屬化過孔103連接，并且由一系列金屬化過孔103作為邊界，在上導(dǎo)體101上分別構(gòu)成彼此連通的第一腔體ⅰ、第二腔體ⅱ和第三腔體ⅲ，第二腔體ⅱ和第三腔體ⅲ采用并列緊鄰區(qū)域方式進行設(shè)置，第一腔體ⅰ形成過道區(qū)域，使第二腔體ⅱ和第三腔體ⅲ位于第一腔體ⅰ的同一側(cè)，在第一腔體ⅰ的另一側(cè)連接饋線106，第二腔體ⅱ和第三腔體ⅲ區(qū)域分別開口與第一腔體ⅰ連通，在下導(dǎo)體102上分別設(shè)置第一縫隙104和第二縫隙105，兩個縫隙的設(shè)置位置分別對應(yīng)第二腔體ⅱ和第三腔體ⅲ的區(qū)域位置，兩個縫隙能對外部自由空間輻射電磁波和接收電磁波，饋線106與收發(fā)一體射頻電路系統(tǒng)200信號連接，進行rx信號和tx信號的傳輸。在本實施例中，圖5是收發(fā)共用天線100的s11參數(shù)測試圖，其中心頻率點為15.80ghz，帶寬約為120mhz(s11<-10db)。

實驗分析測試：

對實施例一收發(fā)一體多普勒雷達前端模塊的實際測試結(jié)果如圖7和圖8所示，其中，圖7是使用agilent頻譜儀e4407b測得的該收發(fā)一體多普勒雷達前端模塊的發(fā)射信號頻率，為15.849000ghz，圖8是使用agilent頻譜儀e4407b測得的含頻率偏移的目標回波經(jīng)過收發(fā)一體多普勒雷達前端模塊后的中頻輸出信號頻譜，該信號的頻率約為30.128975mhz。實施例一收發(fā)一體多普勒雷達前端模塊的測試結(jié)果驗證了收發(fā)一體多普勒雷達前端模塊的發(fā)射和接收功能，即實施例一收發(fā)一體多普勒雷達前端模塊能夠發(fā)射15.849000ghz的信號，并且能夠接收含有30.128975mhz的多普勒頻率偏移信號。

總之，實施例一收發(fā)一體多普勒雷達前端模塊有利于雷達系統(tǒng)小型化設(shè)計、實現(xiàn)方法簡單，并且，有效降低了雷達系統(tǒng)的成本，適用于障礙物檢測、測速、測角等雷達應(yīng)用場合。

實施例二：

本實施例與實施例一基本相同，特別之處在于：

在本實施例中，參見圖3的三端口器件220采用晶體管，將晶體管的發(fā)射極連接反饋網(wǎng)絡(luò)模塊230，調(diào)節(jié)反饋網(wǎng)絡(luò)模塊230，使晶體管不穩(wěn)定來產(chǎn)生本地振蕩信號，晶體管的基極連接匹配網(wǎng)絡(luò)模塊210，匹配網(wǎng)絡(luò)模塊210在調(diào)諧振蕩頻率點與收發(fā)共用天線100進行匹配，用于匹配網(wǎng)絡(luò)模塊210和收發(fā)共用天線100進行雷達信號交換，傳輸rx信號和tx信號，晶體管的集電極輸出本地振蕩信號和接收信號完成混頻后的信號，將混頻信號通過漏極向濾波器300傳輸，通過濾波器300濾除高頻分量，來提取目標回波的特征信號。本實施例采用單個晶體管實現(xiàn)收發(fā)一體電路，進一步減小雷達系統(tǒng)的尺寸，有利于雷達系統(tǒng)小型化設(shè)計、實現(xiàn)方法簡單，并且有效降低了雷達系統(tǒng)的成本，適用于障礙物檢測、測速、測角等雷達應(yīng)用場合。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進行了說明，但本發(fā)明不限于上述實施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明收發(fā)一體多普勒雷達前端模塊的技術(shù)原理和發(fā)明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的保護范圍。