適用于太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)的mmaop架構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及適用于太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)的MMAOP架構(gòu)，它采用倍頻（Multiplier）+混頻（Mixer）+陣列合成（Array）+準(zhǔn)光傳輸（quasi-Optics）+拋物面天線（Parabolicantenna）的實(shí)現(xiàn)方式，獲得全固態(tài)大功率太赫茲輻射源，可同時適用于太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)；該架構(gòu)的收發(fā)鏈路均通過全固態(tài)的方式來實(shí)現(xiàn)，可重復(fù)性好，且便于集成化和小型化；該架構(gòu)采用陣列空間功率合成的方法提高太赫茲源的輸出功率，可擴(kuò)展性好，可先采用小陣列，獲取中等輸出功率，隨著技術(shù)的進(jìn)步，逐漸加大陣列數(shù)量、提高單個陣元的輸出功率，從而提高輻射功率。
【專利說明】適用于太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)的圖AOP架構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)字通信中的太赫茲通信與雷達(dá)技術(shù)，具體是適用于太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)的MMAOP架構(gòu)，即倍頻(Multiplier) +混頻(Mixer) +陣列合成(Array) +準(zhǔn)光傳輸(quas1-Optics) + 拋物面天線(Parabolic antenna)架構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲通信與雷達(dá)是太赫茲波的重要應(yīng)用領(lǐng)域。在太赫茲通信與雷達(dá)系統(tǒng)中，要求:①大帶寬，以適應(yīng)高通信速率和高雷達(dá)分辨率的要求；②高EIRP(Effective IsotropicRadiated Power,有效各向同性輻射功率)，以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)的作用距離遠(yuǎn)；③收發(fā)共用、雷達(dá)和通信通用(很多場合要求二者共用一個平臺)，以簡化系統(tǒng)構(gòu)成適應(yīng)雷達(dá)和通信的多種調(diào)制制式，如00K (ASK)、PSK、QAM、FM等；⑤盡量全固態(tài)實(shí)現(xiàn)，以便于集成和小型化。這些要求對太赫茲源、調(diào)制解調(diào)、功率放大、天線、接收檢測等提出了很多約束條件。現(xiàn)有的太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)架構(gòu)在實(shí)現(xiàn)上與上述要求時存在矛盾。
[0003]現(xiàn)有的幾種典型的太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1-3所示，圖1是典型的太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)，其發(fā)射機(jī)采用“中頻調(diào)制+調(diào)制信號倍頻+固態(tài)功放+電真空放大+天線”的結(jié)構(gòu)，接收端通過混頻器去斜處理將回波信號變到中頻，這種架構(gòu)一般只適用于雷達(dá)系統(tǒng)；圖2是既適合于太赫茲雷達(dá)，又適合于太赫茲通信的系統(tǒng)架構(gòu)，其發(fā)射機(jī)采用“中頻調(diào)制+倍頻本振源+混頻調(diào)制+固態(tài)功放+電真空放大+天線”的結(jié)構(gòu)，接收端除用低噪放代替功放外，其架構(gòu)與發(fā)射端基本相同，這種架構(gòu)的收發(fā)是分離的。圖3是收發(fā)天線共用太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)。
[0004]圖1和圖2的主要差別在于中頻信號的調(diào)制方式上。圖1的中頻調(diào)制信號從太赫茲倍頻鏈的驅(qū)動端饋入，經(jīng)過倍頻鏈的非線性變換形成射頻信號，當(dāng)調(diào)制信號是雷達(dá)的線性調(diào)頻中頻信號時，該變換可實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號帶寬的擴(kuò)展，通過接收混頻器的去斜處理完成目標(biāo)分辨，并獲得分辨率的提升；然而，當(dāng)調(diào)制信號時通信用的PSK、QAM等調(diào)制制式的中頻信號時，由于倍頻映射的不可逆性，在接收端無法從發(fā)射信號中恢復(fù)出發(fā)射信息，因此圖1的架構(gòu)可有效實(shí)現(xiàn)高分辨率太赫茲雷達(dá)探測但不適合于通常調(diào)制方式(PSK、QAM等)的太赫茲通信。圖2的中頻調(diào)制信號是通過混頻器調(diào)制到太赫茲頻段的點(diǎn)頻本振上，這是PSK、QAM等調(diào)制體制的太赫茲高速通信的通用架構(gòu)，該系統(tǒng)架構(gòu)雖然也適合于太赫茲雷達(dá)，但是，由于發(fā)射本振倍頻鏈的驅(qū)動采用的是點(diǎn)頻源，倍頻后無法獲得帶寬的擴(kuò)展，然而太赫茲雷達(dá)一般需要大帶寬來實(shí)現(xiàn)高分辨率成像，這種架構(gòu)發(fā)射信號的大帶寬只能通過增加中頻調(diào)制信號的帶寬來實(shí)現(xiàn)，而中頻調(diào)制信號一般處于微波波段，要實(shí)現(xiàn)滿足要求的大帶寬信號時很困難的，一般只能做到幾個GHz，難以適應(yīng)高分辨率成像的應(yīng)用需求。綜上所述，這兩種架構(gòu)均不太適合于雷達(dá)和通信共用硬件平臺。
[0005]除此之外，無論是架構(gòu)圖1還是架構(gòu)圖2，均存在如下缺陷:
(I)功率和帶寬的矛盾:
由于固態(tài)功放目前技術(shù)水平的限制，其輸出功率在mW量級，帶寬可以達(dá)到10%以上。由于固態(tài)功放的功率水平逐漸難以滿足應(yīng)用需求，圖1中的虛線框部分為其擬采用的改進(jìn)方案，通過電真空放大器級聯(lián)，實(shí)現(xiàn)瓦特量級的太赫茲功率輸出，然而，由于電真空器件的固有特性限制，其帶寬難以與前級匹配，故整條發(fā)射鏈路的相對帶寬大約只能2%左右，且由于電真空器件的微加工技術(shù)沒有得到很好的解決，從公開的文獻(xiàn)看，目前只有中物院太赫茲中心的0.14THz和0.22THz兩只樣管有功率輸出，在短時間內(nèi)難以達(dá)到應(yīng)用的要求，造成這兩種架構(gòu)的EIRP均較低，限制了高速太赫茲通信和超寬帶太赫茲雷達(dá)的使用性能。而且電真空器件難以集成化和小型化，且工作時需要高壓，給某些場合的應(yīng)用帶來諸多不便。
[0006]( 2 )難以實(shí)現(xiàn)收發(fā)共用的問題:
在天線口徑較大(高EIRP)的情況下，通常要求收發(fā)共用，即發(fā)射和接收鏈路共用天線，這就需要在收發(fā)鏈路中采用寬帶環(huán)形器，架構(gòu)如圖3所示，而太赫茲頻段的環(huán)形器技術(shù)難易解決，目前還沒有相關(guān)產(chǎn)品，調(diào)研結(jié)果為最高工作頻率0.14THz，帶寬1.6GHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足應(yīng)用需求。
[0007]( 3 )結(jié)構(gòu)的靈活性問題:
該發(fā)射架構(gòu)放大器與發(fā)射天線之間采用波導(dǎo)硬連接，一方面，在安裝位置選擇上的靈活性較差；另一方面，在某些應(yīng)用場合下，要求天線暴露在溫度條件比較惡劣的環(huán)境中(例如土 100°c )，而其上的溫度會通過傳導(dǎo)導(dǎo)致與其硬連接的有源放大器發(fā)生溫漂，從而影響放大器性能，甚至導(dǎo)致其無法正常工作；而且，當(dāng)通信或雷達(dá)要求對準(zhǔn)搜索時，整套發(fā)射接收鏈路都要隨著天線轉(zhuǎn)動，影響伺服機(jī)構(gòu)的靈活性。
[0008]鑒于上述多種缺陷，所以需要設(shè)計一種新的架構(gòu)可同時適用于太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明只在提出適用于太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)的MMAOP架構(gòu)，它采用倍頻(Multiplier) + 混頻(Mixer) + 陣列合成(Array) + 準(zhǔn)光傳輸(quas1-Optics) + 拋物面天線(Parabolie antenna)的實(shí)現(xiàn)方式,獲得全固態(tài)大功率太赫茲福射源，可同時適用于太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
適用于太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)的一種新型MMAOP架構(gòu)，其特征在于:包括高速數(shù)字基帶板，高中頻變頻電路、功分器、太赫茲倍頻鏈、太赫茲混頻器或者調(diào)制解調(diào)器、太赫茲濾波器、太赫茲固態(tài)功放、太赫茲發(fā)射陣列、太赫茲波分器、太赫茲接收饋源、太赫茲低噪放、橢球面鏡和拋物面天線。
[0011]高速數(shù)字基帶板的兩個輸出端和一個輸入端連接到高中頻變頻電路。
[0012]高中頻變頻電路包含兩個上變頻模塊和一個下變頻模塊，實(shí)現(xiàn)中頻上下變頻和濾波放大。其中上變頻模塊一的輸入信號由數(shù)字基帶板提供，其輸出端連接到太赫茲混頻器或者調(diào)制器；上變頻模塊二的輸入信號也由數(shù)字基帶板提供，其輸出端功分兩路分別作為發(fā)射和接收太赫茲倍頻鏈的驅(qū)動信號；下變頻模塊的輸入信號為接收機(jī)的低噪聲放大器的輸出，其輸出送到高速數(shù)字基帶板完成信號處理。
[0013]在發(fā)射支路中，太赫茲倍頻鏈輸出的信號連接到太赫茲混頻器作為本振信號(L0)，上變頻模塊一的輸出信號作為太赫茲混頻器的中頻信號(IF)，混頻后形成的射頻信號(RF)經(jīng)過太赫茲濾波器實(shí)現(xiàn)帶通濾波，太赫茲濾波器的輸出端連接至太赫茲固態(tài)功放實(shí)現(xiàn)功率放大，太赫茲固態(tài)功放的輸出端連接至太赫茲發(fā)射陣列，在太赫茲發(fā)射陣列中被功分成N X N路，再經(jīng)N X N放大陣元放大后完成空間功率合成；太赫茲發(fā)射陣列的輸出信號經(jīng)波分器照射到橢球面鏡，再經(jīng)拋物面天線輻射出去。
[0014]在接收支路，拋物面天線收集到的太赫茲信號經(jīng)橢球面鏡照射到波分器上，被太赫茲接收饋源收集，太赫茲接收饋源的輸出連接至太赫茲低噪放，太赫茲低噪放的輸出連接至接收太赫茲混頻器作為其射頻信號(RF)，接收太赫茲倍頻鏈輸出的信號連接到太赫茲混頻器作為本振信號(L0)，接收太赫茲混頻器的輸出中頻信號(IF)端連接到低噪聲放大器，低噪聲放大器的輸出端連接帶高中頻變頻電路中的下變頻模塊。
[0015]該架構(gòu)收發(fā)共用，結(jié)構(gòu)靈活多變，可以適應(yīng)雷達(dá)和通信的多種調(diào)制制式，可以采用QAM、PSK、FM等基帶調(diào)制(采用混頻器)，也可以采用OOK等射頻直接調(diào)制(發(fā)射采用調(diào)制器，接收采用檢波器);倍頻鏈的輸出可以是點(diǎn)頻(通信工作采用)，也可以是寬帶調(diào)制信號(雷達(dá)工作時采用)。
[0016]本發(fā)明用于雷達(dá)系統(tǒng)時,工作原理為:
高速數(shù)字基帶板產(chǎn)生寬帶調(diào)頻信號B2 (帶寬B通常為幾百M(fèi)Hz到幾GHz)和點(diǎn)頻信號BI，B2和BI分別經(jīng)高中頻變頻電路中的上變頻模塊二和上變頻模塊一產(chǎn)生具有一定帶寬(帶寬B通常為幾百M(fèi)Hz到幾GHz)的微波中頻信號S2和微波點(diǎn)頻信號SI，S2通過太赫茲倍頻鏈形成的信號T21按照倍頻次數(shù)提高雷達(dá)工作頻率、擴(kuò)展雷達(dá)工作帶寬，M次倍頻后，信號帶寬可由S2的B擴(kuò)展T21到MXB ;寬帶信號T21和點(diǎn)頻信號SI在太赫茲混頻器中完成混頻，帶通濾波器濾波后利用固態(tài)功率放大器放大后功分為NXN路信號，功分后的NXN路信號分別在空間功率合成單元饋入NXN陣列的每個陣元進(jìn)行功率放大，通過設(shè)計各路功率放大器的相位響應(yīng)特性，使得NXN路的太赫茲輻射信號在特定的方向上形成同向疊力口，從而完成空間功率合成，達(dá)到提高有效輻射功率的目的，輻射信號通過波束波導(dǎo)形成的準(zhǔn)光光路，經(jīng)波分器和橢球面鏡饋入到拋物面天線的副面，再通過拋物面天線的主反射面聚束后發(fā)射出去；其中，N的數(shù)值由陣列數(shù)量確定。
[0017]回波信號經(jīng)過相同的拋物面天線，在波分器處與發(fā)射信號分離，進(jìn)入THz (太赫茲)接收饋源，經(jīng)低噪聲放大器，與接收太赫茲倍頻鏈產(chǎn)生的太赫茲信號在混頻器中完成下變頻，同時完成去斜(de-chirp)，形成攜帶目標(biāo)信息的窄帶信號，進(jìn)入高中頻變頻電路中的下變頻模塊下變頻到基帶，在高速數(shù)字基帶板中完成成像處理。
[0018]高速數(shù)字基帶板產(chǎn)生的數(shù)字寬帶調(diào)頻信號，是由高速數(shù)字基帶板中的數(shù)字器件(如現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，直接數(shù)字合成器DDS等)產(chǎn)生，信號形式具有很大的靈活性，可以是線性調(diào)頻，也可以是非線性調(diào)頻。
[0019]所有頻率的產(chǎn)生(包括數(shù)字信號生成單元的時鐘、高速數(shù)字基帶板的時鐘)均基于同一參考晶振，因此，整套系統(tǒng)是相參的，可提高太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)的檢測能力。
[0020]本發(fā)明用于通信系統(tǒng)時，具有多種工作模式，分別為:
(I)基帶數(shù)字調(diào)制。高速數(shù)字基帶板產(chǎn)生點(diǎn)頻信號B2和基帶數(shù)字調(diào)制信號BI (幅相調(diào)制QAM、相位調(diào)制PSK、頻率調(diào)制FM等)，B2和BI分別經(jīng)高中頻變頻電路中的上變頻模塊二和上變頻模塊一產(chǎn)生微波點(diǎn)頻信號S2和帶調(diào)制的微波中頻信號SI，S2作為太赫茲倍頻鏈的驅(qū)動信號，經(jīng)倍頻至太赫茲波段產(chǎn)生T21作為太赫茲混頻器的本振，即作為信息傳輸?shù)妮d波信號；S1作為太赫茲混頻器的中頻輸入信號，經(jīng)混頻器的載波調(diào)制形成太赫茲波段的信號輻射，太赫茲波段的信號輻射經(jīng)過帶通濾波器濾除鏡像頻率形成單邊帶發(fā)射信號，單邊帶發(fā)射信號利用固態(tài)功率放大器放大后功分為NXN路信號，功分后的NXN路信號分別在空間功率合成單元饋入NXN陣列的每個陣元進(jìn)行功率放大，通過設(shè)計各路功率放大器的相位響應(yīng)特性，使得N X N路的太赫茲輻射信號在特定的方向上形成同向疊加，從而完成空間功率合成，達(dá)到提高有效輻射功率的目的，輻射信號通過波束波導(dǎo)形成的準(zhǔn)光光路，經(jīng)波分器和橢球面鏡饋入到拋物面天線的副面，再通過拋物面天線的主反射面聚束后發(fā)射出去；其中，N的數(shù)值由陣列數(shù)量確定。
[0021]接收信號經(jīng)過相同的拋物面天線收集，在波分器處與發(fā)射信號分離，進(jìn)入THz接收饋源，經(jīng)低噪聲放大器，與接收太赫茲倍頻鏈產(chǎn)生的太赫茲信號在混頻器中完成下變頻至微波波段，進(jìn)入高中頻變頻電路中的下變頻模塊下變頻到基帶，在高速數(shù)字基帶板中完成信息的高速解調(diào)。
[0022](2)射頻直接調(diào)制。系統(tǒng)發(fā)射支路中的太赫茲混頻器采用高速調(diào)制器，SI為饋入的碼流信號，控制高速調(diào)制器的開關(guān)，形成對太赫茲波的射頻直接調(diào)制；系統(tǒng)接收支路中的太赫茲混頻器用高速解調(diào)器，通過對上述發(fā)射調(diào)制信號的直接檢波，獲得傳輸信息，即實(shí)現(xiàn)通-斷幅度鍵控(on-off keying, OOK)通信。
[0023]所述混頻器可以采用基波混頻器，也可以采用諧波混頻器。
[0024]系統(tǒng)有效輻射功率提升可以有三種途徑，所述拋物面天線的主反射面的口徑增大，則天線增益提高，系統(tǒng)的有效輻射功率增大；所述太赫茲發(fā)射陣列數(shù)目參數(shù)N增大，則空間功率合成的功率提高，系統(tǒng)的有效輻射功率增大；所述太赫茲發(fā)射陣列中放大陣元的單元功率增大,則空間功率合成的功率提高,系統(tǒng)的有效輻射功率增大。
[0025]本發(fā)明的有益效果如下:
第一，該硬件平臺的架構(gòu)可兼顧雷達(dá)和通信使用，二者可分時工作，且太赫茲雷達(dá)基帶信號的帶寬通過倍頻獲得展寬，可形成超高分辨成像能力；
第二，該硬件架構(gòu)的太赫茲源采用全固態(tài)的方式來實(shí)現(xiàn)，易于集成化，可靠性高；
第三，采用陣列合成技術(shù)，在保證系統(tǒng)有效工作帶寬的條件下，提高了輸出功率。
[0026]第四，采用太赫茲波段的波束波導(dǎo)，使系統(tǒng)架構(gòu)更加靈活，可擴(kuò)展性強(qiáng)，簡化跟蹤對準(zhǔn)伺服設(shè)計；
第五，采用太赫茲波段準(zhǔn)光技術(shù)，配合高增益反射面天線，提高太赫茲通信雷達(dá)系統(tǒng)有效輻射功率。
[0027]系統(tǒng)還具有如下特點(diǎn):
0.該架構(gòu)的收發(fā)鏈路均通過全固態(tài)的方式來實(shí)現(xiàn)，可重復(fù)性好，且便于集成化和小型
化；
2).采用陣列空間功率合成的方法提高太赫茲源的輸出功率，可擴(kuò)展性好，在設(shè)計和工藝水平等條件還無法支撐大規(guī)模陣列的通道一致性要求是，可先采用小陣列，獲取中等輸出功率，隨著技術(shù)的進(jìn)步，逐漸加大陣列數(shù)量、提高單個陣元的輸出功率，從而提高輻射功率。
【專利附圖】

【附圖說明】[0028]圖1為倍頻本振源+混頻調(diào)制+固態(tài)功放+電真空放大+天線的太赫茲發(fā)射機(jī)架構(gòu)示意圖；
圖2是基帶(中頻)調(diào)制+倍頻+固態(tài)功放+電真空放大+天線的太赫茲發(fā)射機(jī)架構(gòu)示意圖；
圖3為收發(fā)共用天線太赫茲雷達(dá)架構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]本發(fā)明適用于太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)的一種新型MMAOP架構(gòu)，如圖4所示，包括高速數(shù)字基帶板，高中頻變頻電路、功分器、太赫茲倍頻鏈、太赫茲混頻器或者調(diào)制解調(diào)器、太赫茲濾波器、太赫茲固態(tài)功放、太赫茲發(fā)射陣列、太赫茲波分器、太赫茲接收饋源、太赫茲低噪放、橢球面鏡和拋物面天線。
[0030]高速數(shù)字基帶板的兩個輸出端和一個輸入端連接到高中頻變頻電路。
[0031]高中頻變頻電路包含兩個上變頻模塊和一個下變頻模塊，實(shí)現(xiàn)中頻上下變頻和濾波放大。其中上變頻模塊一的輸入信號由數(shù)字基帶板提供，其輸出端連接到太赫茲混頻器或者調(diào)制器；上變頻模塊二的輸入信號也由數(shù)字基帶板提供，其輸出端功分兩路分別作為發(fā)射和接收太赫茲倍頻鏈的驅(qū)動信號；下變頻模塊的輸入信號為接收機(jī)的低噪聲放大器的輸出，其輸出送到高速數(shù)字基帶板完成信號處理。
[0032]在發(fā)射支路中，太赫茲倍頻鏈輸出的信號連接到太赫茲混頻器作為本振信號(L0)，上變頻模塊一的輸出信號作為太赫茲混頻器的中頻信號(IF)，混頻后形成的射頻信號(RF)經(jīng)過太赫茲濾波器實(shí)現(xiàn)帶通濾波，太赫茲濾波器的輸出端連接至太赫茲固態(tài)功放實(shí)現(xiàn)功率放大，太赫茲固態(tài)功放的輸出端連接至太赫茲發(fā)射陣列，在太赫茲發(fā)射陣列中被功分成N X N路，再經(jīng)N X N放大陣元放大后完成空間功率合成；太赫茲發(fā)射陣列的輸出信號經(jīng)波分器照射到橢球面鏡，再經(jīng)拋物面天線輻射出去。
[0033]在接收支路，拋物面天線收集到的太赫茲信號經(jīng)橢球面鏡照射到波分器上，被太赫茲接收饋源收集，太赫茲接收饋源的輸出連接至太赫茲低噪放，太赫茲低噪放的輸出連接至接收太赫茲混頻器作為其射頻信號(RF)，接收太赫茲倍頻鏈輸出的信號連接到太赫茲混頻器作為本振信號(L0)，接收太赫茲混頻器的輸出中頻信號(IF)端連接到低噪聲放大器，低噪聲放大器的輸出端連接帶高中頻變頻電路中的下變頻模塊。
[0034]該架構(gòu)收發(fā)共用，結(jié)構(gòu)靈活多變，可以適應(yīng)雷達(dá)和通信的多種調(diào)制制式，可以采用QAM、PSK、FM等基帶調(diào)制(采用混頻器)，也可以采用OOK等射頻直接調(diào)制(發(fā)射采用調(diào)制器，接收采用檢波器);倍頻鏈的輸出可以是點(diǎn)頻(通信工作采用)，也可以是寬帶調(diào)制信號(雷達(dá)工作時采用)。
[0035]本發(fā)明用于雷達(dá)系統(tǒng)時,工作原理為:
高速數(shù)字基帶板產(chǎn)生寬帶調(diào)頻信號B2 (帶寬B通常為幾百M(fèi)Hz到幾GHz)和點(diǎn)頻信號BI，B2和BI分別經(jīng)高中頻變頻電路中的上變頻模塊二和上變頻模塊一產(chǎn)生具有一定帶寬(帶寬B通常為幾百M(fèi)Hz到幾GHz)的微波中頻信號S2和微波點(diǎn)頻信號SI，S2通過太赫茲倍頻鏈形成的信號T21按照倍頻次數(shù)提高雷達(dá)工作頻率、擴(kuò)展雷達(dá)工作帶寬，M次倍頻后，信號帶寬可由S2的B擴(kuò)展T21到MXB ;寬帶信號T21和點(diǎn)頻信號SI在太赫茲混頻器中完成混頻，帶通濾波器濾波后利用固態(tài)功率放大器放大后功分為NXN路信號，功分后的NXN路信號分別在空間功率合成單元饋入NXN陣列的每個陣元進(jìn)行功率放大，通過設(shè)計各路功率放大器的相位響應(yīng)特性，使得NXN路的太赫茲輻射信號在特定的方向上形成同向疊力口，從而完成空間功率合成，達(dá)到提高有效輻射功率的目的，輻射信號通過波束波導(dǎo)形成的準(zhǔn)光光路，經(jīng)波分器和橢球面鏡饋入到拋物面天線的副面，再通過拋物面天線的主反射面聚束后發(fā)射出去；其中，N的數(shù)值由陣列數(shù)量確定。
[0036]回波信號經(jīng)過相同的拋物面天線，在波分器處與發(fā)射信號分離，進(jìn)入THz接收饋源，經(jīng)低噪聲放大器，與接收太赫茲倍頻鏈產(chǎn)生的太赫茲信號在混頻器中完成下變頻，同時完成去斜(de-chirp)，形成攜帶目標(biāo)信息的窄帶信號，進(jìn)入高中頻變頻電路中的下變頻模塊下變頻到基帶，在高速數(shù)字基帶板中完成成像處理
高速數(shù)字基帶板產(chǎn)生的數(shù)字寬帶調(diào)頻信號，是由高速數(shù)字基帶板中的數(shù)字器件(如現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，直接數(shù)字合成器DDS等)產(chǎn)生，信號形式具有很大的靈活性，可以是線性調(diào)頻,也可以是非線性調(diào)頻。
[0037]所有頻率的產(chǎn)生(包括高速數(shù)字基帶板時鐘)均基于同一參考晶振，因此，整套系統(tǒng)是相參的，可提高太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)的檢測能力。
[0038]本發(fā)明用于通信系統(tǒng)時，具有多種工作模式，分別為:
(I)基帶數(shù)字調(diào)制。高速數(shù)字基帶板產(chǎn)生點(diǎn)頻信號B2和基帶數(shù)字調(diào)制信號BI (幅相調(diào)制QAM、相位調(diào)制PSK、頻率調(diào)制FM等)，B2和BI分別經(jīng)高中頻變頻電路中的上變頻模塊二和上變頻模塊一產(chǎn)生微波點(diǎn)頻信號S2和帶調(diào)制的微波中頻信號SI，S2作為太赫茲倍頻鏈的驅(qū)動信號，經(jīng)倍頻至太赫茲波段產(chǎn)生T21作為太赫茲混頻器的本振，即作為信息傳輸?shù)妮d波信號；S1作為太赫茲混頻器的中頻輸入信號，經(jīng)混頻器的載波調(diào)制形成太赫茲波段的信號輻射，太赫茲波段的信號輻射經(jīng)過帶通濾波器濾除鏡像頻率形成單邊帶發(fā)射信號，單邊帶發(fā)射信號利用固態(tài)功率放大器放大后功分為NXN路信號，功分后的NXN路信號分別在空間功率合成單元饋入NXN陣列的每個陣元進(jìn)行功率放大，通過設(shè)計各路功率放大器的相位響應(yīng)特性，使得NXN路的太赫茲輻射信號在特定的方向上形成同向疊加，從而完成空間功率合成，達(dá)到提高有效輻射功率的目的，輻射信號通過波束波導(dǎo)形成的準(zhǔn)光光路，經(jīng)波分器和橢球面鏡饋入到拋物面天線的副面，再通過拋物面天線的主反射面聚束后發(fā)射出去；其中，N的數(shù)值由陣列數(shù)量確定。
[0039]接收信號經(jīng)過相同的拋物面天線收集，在波分器處與發(fā)射信號分離，進(jìn)入THz接收饋源，經(jīng)低噪聲放大器，與接收太赫茲倍頻鏈產(chǎn)生的太赫茲信號在混頻器中完成下變頻至微波波段，進(jìn)入高中頻變頻電路中的下變頻模塊下變頻到基帶，在高速數(shù)字基帶板中完成信息的高速解調(diào)。
[0040](2)射頻直接調(diào)制。系統(tǒng)發(fā)射支路中的太赫茲混頻器采用高速調(diào)制器，SI為饋入的碼流信號，控制高速調(diào)制器的開關(guān)，形成對太赫茲波的射頻直接調(diào)制；系統(tǒng)接收支路中的太赫茲混頻器用高速解調(diào)器，通過對上述發(fā)射調(diào)制信號的直接檢波，獲得傳輸信息，即實(shí)現(xiàn)通-斷幅度鍵控(on-off keying, OOK)通信。
[0041]所述混頻器可以采用基波混頻器，也可以采用諧波混頻器。
[0042]系統(tǒng)有效輻射功率提升可以有三種途徑，所述拋物面天線的主反射面的口徑增大，則天線增益提高，系統(tǒng)的有效輻射功率增大；所述太赫茲發(fā)射陣列數(shù)目參數(shù)N增大，則空間功率合成的功率提高，系統(tǒng)的有效輻射功率增大；所述太赫茲發(fā)射陣列中放大陣元的單元功率增大,則空間功率合成的功率提高,系統(tǒng)的有效輻射功率增大。
【權(quán)利要求】
1.適用于太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)的MMAOP架構(gòu)，其特征在于:包括高速數(shù)字基帶板、高中頻變頻電路、功分器、太赫茲倍頻鏈、太赫茲混頻器或者調(diào)制解調(diào)器、太赫茲濾波器、太赫茲固態(tài)功放、太赫茲發(fā)射陣列、太赫茲波分器、太赫茲接收饋源、太赫茲低噪放、橢球面鏡和拋物面天線； 高速數(shù)字基帶板的兩個輸出端和一個輸入端均連接至高中頻變頻電路； 高中頻變頻電路包含兩個上變頻模塊和一個下變頻模塊，實(shí)現(xiàn)中頻上下變頻和濾波放大；兩個上變頻模塊為上變頻模塊一和上變頻模塊二，其中，上變頻模塊一的輸入信號由數(shù)字基帶板提供，其輸出端連接到太赫茲混頻器或者調(diào)制解調(diào)器；上變頻模塊二的輸入信號也由數(shù)字基帶板提供，其輸出端功分兩路分別作為發(fā)射和接收太赫茲倍頻鏈的驅(qū)動信號；下變頻模塊的輸入信號為接收機(jī)的低噪聲放大器的輸出，其輸出送到高速數(shù)字基帶板完成信號處理； 在發(fā)射支路中，太赫茲倍頻鏈輸出的信號連接到太赫茲混頻器作為本振信號，上變頻模塊一的輸出信號作為太赫茲混頻器的中頻信號，混頻后形成的射頻信號經(jīng)過太赫茲濾波器實(shí)現(xiàn)帶通濾波，太赫茲濾波器的輸出端連接至太赫茲固態(tài)功放實(shí)現(xiàn)功率放大，太赫茲固態(tài)功放的輸出端連接至太赫茲發(fā)射陣列，在太赫茲發(fā)射陣列中被功分成NXN路，再經(jīng)NXN放大陣元放大后完成空間功率合成；太赫茲發(fā)射陣列的輸出信號經(jīng)波分器照射到橢球面鏡，再經(jīng)拋物面天線輻射出去； 在接收支路中，拋物面天線收集到的太赫茲信號經(jīng)橢球面鏡照射到波分器上，被太赫茲接收饋源收集，太赫茲接收饋源的輸出連接至太赫茲低噪放，太赫茲低噪放的輸出連接至接收太赫茲混頻器作為其射頻信號，接收太赫茲倍頻鏈輸出的信號連接到太赫茲混頻器作為本振信號，接收太赫茲混頻器的輸出中頻信號端連接到低噪聲放大器，低噪聲放大器的輸出端連接帶高中頻變頻電路中的下變頻模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)的MMAOP架構(gòu)，其特征在于:該架構(gòu)用于雷達(dá)系統(tǒng)時，工作原理為: 高速數(shù)字基帶板產(chǎn)生寬帶調(diào)頻信號和點(diǎn)頻信號，帶調(diào)頻信號和點(diǎn)頻信號分別經(jīng)高中頻變頻電路中的上變頻模塊二和上變頻模塊一產(chǎn)生具有一定帶寬的微波中頻信號和微波點(diǎn)頻信號，微波中頻信號通過太赫茲倍頻鏈形成的信號T21按照倍頻次數(shù)提高雷達(dá)工作頻率、擴(kuò)展雷達(dá)工作帶寬，M次倍頻后，信號帶寬可由微波中頻信號的B擴(kuò)展T21到MXB ;寬帶信號T21和點(diǎn)頻信號在太赫茲混頻器中完成混頻，帶通濾波器濾波后利用固態(tài)功率放大器放大后功分為NXN路信號，功分后的NXN路信號分別在空間功率合成單元饋入NXN陣列的每個陣元進(jìn)行功率放大，通過設(shè)計各路功率放大器的相位響應(yīng)特性，使得NXN路的太赫茲輻射信號在特定的方向上形成同向疊加，從而完成空間功率合成，達(dá)到提高有效輻射功率的目的，輻射信號通過波束波導(dǎo)形成的準(zhǔn)光光路，經(jīng)波分器和橢球面鏡饋入到拋物面天線的副面，再通過拋物面天線的主反射面聚束后發(fā)射出去；其中，N的數(shù)值由陣列數(shù)量確定; 回波信號經(jīng)過相同的拋物面天線，在波分器處與發(fā)射信號分離，進(jìn)入THz接收饋源，經(jīng)低噪聲放大器，與接收太赫茲倍頻鏈產(chǎn)生的太赫茲信號在混頻器中完成下變頻，同時完成去斜，形成攜帶目標(biāo)信息的窄帶信號，進(jìn)入高中頻變頻電路中的下變頻模塊下變頻到基帶，在高速數(shù)字基帶板中完成成像處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)的MMAOP架構(gòu)，其特征在于:寬帶調(diào)頻信號由高速數(shù)字基帶板中的數(shù)字器件產(chǎn)生，為線性調(diào)頻信號或者是非線性調(diào)頻信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)的MMAOP架構(gòu)，其特征在于:系統(tǒng)中所有頻率的產(chǎn)生均基于同一參考晶振以保證系統(tǒng)的相參性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)的MMAOP架構(gòu)，其特征在于:該架構(gòu)用于通信系統(tǒng)時，具有基帶數(shù)字調(diào)制的工作模式，具體為: 高速數(shù)字基帶板產(chǎn)生點(diǎn)頻信號和基帶數(shù)字調(diào)制信號，點(diǎn)頻信號和基帶數(shù)字調(diào)制信號分別經(jīng)高中頻變頻電路中的上變頻模塊二和上變頻模塊一產(chǎn)生微波點(diǎn)頻信號和帶調(diào)制的微波中頻信號，微波點(diǎn)頻信號作為太赫茲倍頻鏈的驅(qū)動信號，經(jīng)倍頻至太赫茲波段產(chǎn)生T21作為太赫茲混頻器的本振，即作為信息傳輸?shù)妮d波信號；帶調(diào)制的微波中頻信號作為太赫茲混頻器的中頻輸入信號，經(jīng)混頻器的載波調(diào)制形成太赫茲波段的信號輻射，太赫茲波段的信號輻射經(jīng)過帶通濾波器濾除鏡像頻率形成單邊帶發(fā)射信號，單邊帶發(fā)射信號利用固態(tài)功率放大器放大后功分為NXN路信號，功分后的NXN路信號分別在空間功率合成單元饋入NXN陣列的每個陣元進(jìn)行功率放大，通過設(shè)計各路功率放大器的相位響應(yīng)特性，使得NXN路的太赫茲輻射信號在特定的方向上形成同向疊加，從而完成空間功率合成，達(dá)到提高有效輻射功率的目的，輻射信號通過波束波導(dǎo)形成的準(zhǔn)光光路，經(jīng)波分器和橢球面鏡饋入到拋物面天線的副面，再通過拋物面天線的主反射面聚束后發(fā)射出去；其中，N的數(shù)值由陣列數(shù)量確定； 接收信號經(jīng)過相同的拋物面天線收集，在波分器處與發(fā)射信號分離，進(jìn)入THz接收饋源，經(jīng)低噪聲放大器，與接收太赫茲倍頻鏈產(chǎn)生的太赫茲信號在混頻器中完成下變頻至微波波段，進(jìn)入高中頻變頻電路中的下變頻模塊下變頻到基帶，在高速數(shù)字基帶板中完成信息的聞速解調(diào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)的MMAOP架構(gòu)，其特征在于:該架構(gòu)用于通信系統(tǒng)時，具有射頻直接調(diào)制的工作模式，具體為: 系統(tǒng)發(fā)射支路中的太赫茲混頻器采用高速調(diào)制器，帶調(diào)制的微波中頻信號為饋入的碼流信號，控制高速調(diào)制器的開關(guān)，形成對太赫茲波的射頻直接調(diào)制；系統(tǒng)接收支路中的太赫茲混頻器用高速解調(diào)器，通過對上述發(fā)射調(diào)制信號的直接檢波，獲得傳輸信息，即實(shí)現(xiàn)通-斷幅度鍵控通信。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)的MMAOP架構(gòu)，其特征在于:所述混頻器采用基波混頻器，或者采用諧波混頻器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)的MMAOP架構(gòu)，其特征在于:當(dāng)所述拋物面天線的主反射面的口徑增大時，天線增益則提高，系統(tǒng)的有效輻射功率也相應(yīng)增大。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)的MMAOP架構(gòu)，其特征在于:當(dāng)所述太赫茲發(fā)射陣列數(shù)目參數(shù)N增大時，空間功率合成的功率則提高，系統(tǒng)的有效輻射功率也相應(yīng)增大。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于太赫茲雷達(dá)和通信系統(tǒng)的MMAOP架構(gòu)，其特征在于:所述太赫茲發(fā)射陣列中放大陣元的單元功率增大時，空間功率合成的功率則提高，系統(tǒng)的有效輻射功率 也相應(yīng)增大。
【文檔編號】G01S7/28GK103901404SQ201410094418
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月14日
【發(fā)明者】張健, 成彬彬, 鄧賢進(jìn), 李彪 申請人:中國工程物理研究院電子工程研究所