方新田,童創(chuàng)明,2,劉 磊,吳利楠

(1.空軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈學(xué)院,陜西 三原713800;2.毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210096;3.空軍實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練基地三區(qū)司令部教研室,甘肅 山丹 734100)

1 引 言

本文利用仿真軟件Ansoft HFSS實(shí)現(xiàn)了中心工作頻率為10GHz的六端口結(jié)及六端口測(cè)速測(cè)距雷達(dá)關(guān)鍵器件的仿真設(shè)計(jì),且利用器件測(cè)量結(jié)果實(shí)現(xiàn)了六端口測(cè)速測(cè)距雷達(dá)的系統(tǒng)仿真,結(jié)果表明該雷達(dá)系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度和工作性能。

2 六端口雷達(dá)設(shè)計(jì)與仿真

2.1 基本原理

六端口測(cè)量技術(shù)是根據(jù)矢量分析原理,采用幅度測(cè)量代替相位測(cè)量來(lái)測(cè)量復(fù)反射系數(shù)的幅度和相位。圖1所示為由4個(gè)90°定向耦合器和兩個(gè)45°相移組成的六端口結(jié)。每個(gè)端口(i=1～4)的輸出功率Pi可以表示為

圖1 六端口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Illustration of the six-port junction

式中,K是比值常量,qi是六端口結(jié)的q點(diǎn)。

六端口結(jié)的q點(diǎn)則為等式Pi=0在復(fù)平面內(nèi)的解。

生態(tài)化教學(xué)理念是一種以生為本的課堂教育理念。它強(qiáng)調(diào)對(duì)各生態(tài)主體的參與積極性的充分調(diào)動(dòng)，強(qiáng)調(diào)生態(tài)主體之間的相互配合與合作，強(qiáng)調(diào)課堂的整體性和動(dòng)態(tài)平衡性建設(shè)，強(qiáng)調(diào)生態(tài)主體的個(gè)性化發(fā)展。這一教育理念的出現(xiàn)打破了機(jī)械、僵化的傳統(tǒng)課堂格局，提升了課堂的靈活性和開(kāi)放性，對(duì)于促進(jìn)學(xué)生的全面健康發(fā)展具有重要意義。而小學(xué)數(shù)學(xué)既是小學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中的基礎(chǔ)性科目，也是小學(xué)課程改革的主陣地。因此，在小學(xué)數(shù)學(xué)課堂教學(xué)過(guò)程中，我們要積極優(yōu)化課堂教學(xué)方式構(gòu)建生態(tài)化小學(xué)數(shù)學(xué)課堂。那么我們?nèi)绾尾拍軌蛞?jiàn)生態(tài)化的小學(xué)數(shù)學(xué)課堂呢？下面我將結(jié)合我的教學(xué)實(shí)際從以下三個(gè)方面對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行具體的闡述。

為進(jìn)行功率測(cè)量,功率計(jì)會(huì)接到六端口結(jié)的輸出端。理想功率計(jì)的直流輸出電壓與六端口結(jié)的輸出信號(hào)幅度的二次冪呈線性關(guān)系。令六端口各輸出端口信號(hào)為bi(i=1～4),則功率計(jì)直流輸出電壓Vi為

結(jié)合式(2)可進(jìn)一步得到:

式中,Δθ=θ6-θ5為射頻輸入信號(hào)和本振輸入信號(hào)相位差,輸出電壓的周期均為2π且與相互間相位相差π/2的整數(shù)倍。圖2為兩輸入信號(hào)不同相位差時(shí)對(duì)應(yīng)的歸一化直流輸出電壓。令反射系數(shù)矢量為Γ,則可由測(cè)得的4個(gè)功率計(jì)輸出信號(hào)表示為

反射信號(hào)的幅度和相位即可由式(6)得到。Γ矢量的幅度對(duì)應(yīng)于反射信號(hào)的幅度,而相位則對(duì)應(yīng)于兩射頻信號(hào)的相位差。

圖2 歸一化六端口結(jié)4個(gè)輸出電壓波形Fig.2 Normalized output DC voltages of the six-port junction

2.2 六端口雷達(dá)測(cè)量原理

當(dāng)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)作為六端口兩輸入信號(hào),目標(biāo)的速度可由多普勒頻率決定:

式中,fD為多普勒頻率,c為光速,f為發(fā)射信號(hào)的頻率。其中:

反射系數(shù) Γ矢量會(huì)隨著多普勒頻率fD在復(fù)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn),目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向可由 Γ矢量在復(fù)平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)方向得到。

距離測(cè)量則需要使用頻率為f1和f2的兩個(gè)連續(xù)波。目標(biāo)的距離d可以通過(guò)兩反射系數(shù)和的相位差得到:

最大的測(cè)量精度范圍則對(duì)應(yīng)最大的反射系數(shù)相位差為2π。

2.3 X頻段六端口結(jié)

該六端口結(jié)采用微帶結(jié)構(gòu),介質(zhì)板相對(duì)介電常數(shù)為2.2,厚度0.5mm,其實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 六端口結(jié)實(shí)物圖Fig.3 Configuration of six-port junction

根據(jù)測(cè)速測(cè)距雷達(dá)的工作原理,六端口結(jié)應(yīng)工作在較窄的帶寬,如圖4(a)所示,在9.5～10.5 GHz的帶寬范圍內(nèi),本振與射頻輸入端口的反射損耗以及之間的隔離都低于-15 dB,符合系統(tǒng)要求。圖4(b)和圖4(c)為本振輸入端口的S參數(shù)和4個(gè)輸出端口的相位關(guān)系。圖4(d)和圖4(e)為射頻輸入端口的S參數(shù)以及4個(gè)輸出端口的相位關(guān)系。根據(jù)公式(1),4個(gè)輸出端口的功率是兩個(gè)輸入端口和4個(gè)輸出端口之間S參數(shù)的函數(shù),而它們的幅度理論值為-6 dB。圖4(b)和圖4(d)為六端口結(jié)兩個(gè)輸入端口和4個(gè)輸出端口之間S參數(shù)的實(shí)測(cè)幅度值,其值在10GHz時(shí)都處于-6.5 dB左右,且在工作帶寬內(nèi)其幅度值的變化范圍都是可以接受的。圖4(c)和圖4(e)為六端口結(jié)兩個(gè)輸入端口和4個(gè)輸出端口之間S參數(shù)的實(shí)測(cè)相位值,由圖可知各個(gè)輸出端口之間相位關(guān)系也符合六端口結(jié)的設(shè)計(jì)要求。

2.4 X頻段六端口測(cè)速測(cè)距雷達(dá)

圖5給出了六端口測(cè)速測(cè)距雷達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖,以六端口的測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),進(jìn)行ADS系統(tǒng)仿真,系統(tǒng)添加以下元器件參數(shù):增益為8 dBi的發(fā)射和接收天線,15 dB耦合器,15 dB衰減器,10dB低噪聲放大器以及10dBm的壓控振蕩器。仿真時(shí),目標(biāo)反射信號(hào)多普勒頻率設(shè)為1 kHz。

圖4 六端口結(jié)測(cè)量結(jié)果Fig.4 Measurement result of six-port junction

圖5 六端口雷達(dá)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Block diagram of the six-port radar

圖6為系統(tǒng)仿真中得到的六端口結(jié)(檢波管之前)一個(gè)輸出端口的輸出信號(hào),其周期為1 ms,多普勒頻率為1 kHz,與反射信號(hào)的多普勒頻率1 kHz相一致。由此可見(jiàn)六端口系統(tǒng)在測(cè)量多普勒頻率方面誤差很小。目標(biāo)的相對(duì)速度v可通過(guò)式(7),由測(cè)量得到的多普勒頻率計(jì)算得到,當(dāng) fD=1 kHz、f=10GHz時(shí),目標(biāo)的相對(duì)速度為15 m/s。

圖6 六端口雷達(dá)仿真電壓輸出波形(fD=1 kHz)Fig.6 Simulated wave form of an six-port radar output signal(fD=1 kHz)

為得到目標(biāo)的距離,系統(tǒng)仿真使用兩個(gè)不同頻率的連續(xù)波交替發(fā)射,并測(cè)量各自對(duì)應(yīng)的相位差,通過(guò)公式(9)計(jì)算得到目標(biāo)距離。例如兩個(gè)連續(xù)波的頻率差為Δf=2 MHz時(shí),精確測(cè)量范圍為75 m。

圖7為使用六端口結(jié)測(cè)量的 S參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)仿真,目標(biāo)距離25 m時(shí)得到的六端口雷達(dá)4個(gè)輸出端口的對(duì)應(yīng)電壓輸出波形。與圖2進(jìn)行對(duì)比,電壓輸出波形有相同的趨勢(shì),但是電壓輸出波形的幅度的最大值并不一致,這應(yīng)該是由于六端口結(jié)設(shè)計(jì)與加工的非理想性使得六端口結(jié)的傳輸 S參數(shù)與理論值有一定的偏差造成的。

系統(tǒng)仿真時(shí)頻率差為2MHz,目標(biāo)距離為25 m,通過(guò)處理得到的反射信號(hào)相位結(jié)果如圖8所示。對(duì)應(yīng)于距離的變化,反射信號(hào)相位具有一定的非線性變化,但仍符合距離測(cè)量精度的要求。

圖7 六端口雷達(dá)仿真歸一化電壓輸出波形Fig.7 Normalized simulation output voltages versus the distance resolution

圖8 兩個(gè)連續(xù)波相位信號(hào)Fig.8 Phase signal versus the distance resolution for two CW signals

3 總 結(jié)

本文設(shè)計(jì)了微帶結(jié)構(gòu)的六端口結(jié),并利用其測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了六端口測(cè)速測(cè)距雷達(dá)的系統(tǒng)仿真。仿真結(jié)果表明,六端口雷達(dá)在距離和相對(duì)速度的測(cè)量方面有著相當(dāng)高的精確度。六端口測(cè)量技術(shù)因其通過(guò)功率電壓等標(biāo)量參數(shù)的測(cè)量而精確得到復(fù)反射系數(shù)的相位和幅度的特性,因此得到了廣泛應(yīng)用。不僅如此,六端口電路還具有體積小、成本低、易于集成、多頻段工作等優(yōu)點(diǎn),這些優(yōu)勢(shì)必將給六端口測(cè)速測(cè)距雷達(dá)注入強(qiáng)大的活力。由此可見(jiàn),六端口雷達(dá)作為一種新型的測(cè)速測(cè)距雷達(dá),有著非常良好的發(fā)展前景。

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