李有池 楊寶平 房建峰 朱鳳仁 朱震星

(中國(guó)兵器工業(yè)第214研究所 蘇州 215163)

基于LTCC技術(shù)的3mm/8mm波段被動(dòng)探測(cè)器研究

李有池 楊寶平 房建峰 朱鳳仁 朱震星

(中國(guó)兵器工業(yè)第214研究所 蘇州 215163)

對(duì)毫米波被動(dòng)探測(cè)與其他探測(cè)體制的性能進(jìn)行了對(duì)比分析，介紹了毫米波被動(dòng)探測(cè)的基本理論，提出了3mm與8mm波段水面金屬目標(biāo)的輻射特性檢測(cè)方法。設(shè)計(jì)了用于探測(cè)海面金屬目標(biāo)的直接檢波式毫米波輻射探測(cè)系統(tǒng)，對(duì)輻射探測(cè)系統(tǒng)的射頻前端、天線、信號(hào)處理等各個(gè)部件展開(kāi)詳細(xì)的計(jì)算和討論，構(gòu)建了一套完整的體積小、重量輕、功耗低，可滿足實(shí)際探測(cè)要求的直接檢波式輻射計(jì)系統(tǒng)。

毫米波輻射計(jì)；直接檢波；目標(biāo)探測(cè)；天線

0 引言

對(duì)海上艦船目標(biāo)的自主識(shí)別是提高海上可靠捕獲、精確跟蹤和打擊的重要基礎(chǔ)或前提，這項(xiàng)技術(shù)的研究和運(yùn)用被認(rèn)為是提高海軍各類新式武器作戰(zhàn)能力的重要措施。而現(xiàn)代海戰(zhàn)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境日趨惡劣，又使得反艦武器作戰(zhàn)效能的發(fā)揮受到了極大的制約，如何提高反艦武器適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的能力已成為國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。目前，目標(biāo)識(shí)別技術(shù)使用較多的幾種主要探測(cè)體制有：無(wú)線電探測(cè)、紅外探測(cè)、激光探測(cè)、主動(dòng)毫米波探測(cè)以及被動(dòng)毫米波探測(cè)。然而，每種探測(cè)體制都有其優(yōu)缺點(diǎn)和最佳使用場(chǎng)合，從導(dǎo)引頭制導(dǎo)技術(shù)考慮，為適應(yīng)精確探測(cè)及精確識(shí)別目標(biāo)中心的要求，復(fù)合探測(cè)技術(shù)已成為精確探測(cè)的一個(gè)重要措施。從探測(cè)系統(tǒng)考慮，綜合利用導(dǎo)引頭提供的信息，實(shí)現(xiàn)引信自適應(yīng)起爆控制是提高引戰(zhàn)配合效率的最佳途徑之一。因此，開(kāi)展包含被動(dòng)毫米波探測(cè)技術(shù)的制導(dǎo)引信一體化技術(shù)研究，采取一系列措施以提高引信與戰(zhàn)斗部的配合效率，對(duì)于提高反艦武器作戰(zhàn)效能具有重要意義。

與其他光電探測(cè)(紅外、激光、電視探測(cè)等)方式相比，毫米波被動(dòng)探測(cè)器具有較突出的特點(diǎn)，毫米波被動(dòng)探測(cè)器又稱毫米波輻射計(jì)，它自身不發(fā)射毫米波，只是接收目標(biāo)輻射或散射的毫米波，是一種毫米波輻射信號(hào)的高靈敏度接收機(jī)。它通過(guò)探測(cè)目標(biāo)的毫米波輻射特性,利用目標(biāo)與背景的毫米波輻射特性差異進(jìn)行目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別和制導(dǎo)。毫米波被動(dòng)探測(cè)器具有靈敏度高、工作頻帶寬，抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，由于本身不輻射能量，敵方雷達(dá)無(wú)法捕捉到信號(hào)，因此適用于抗應(yīng)答式、誘餌式等有源干擾。同時(shí)，被動(dòng)探測(cè)幾乎不受角反射器和散射網(wǎng)等無(wú)源干擾影響。在軍事應(yīng)用中具有良好的隱蔽性和防止反輻射導(dǎo)彈襲擊的能力。在近距離探測(cè)處于不同背景環(huán)境下(如海天、草地、土地、密植被等)的大型金屬目標(biāo)，特別是驅(qū)逐艦、航空母艦、坦克、裝甲車輛、戰(zhàn)場(chǎng)指揮車等目標(biāo)方面，毫米波被動(dòng)探測(cè)器具有其他探測(cè)體制不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐表明，被動(dòng)毫米波末制導(dǎo)及成像系統(tǒng)能在晴天、陰天、霧天和沙塵環(huán)境下有效偵察地面的軍事和非軍事目標(biāo)。而且在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，軍事目標(biāo)的雷達(dá)隱身技術(shù)正逐漸被廣泛采用，目前可以采用雷達(dá)隱身防護(hù)的目標(biāo)不但包括飛機(jī)、軍艦、坦克，甚至包括火炮和營(yíng)房等等。而利用毫米波輻計(jì)進(jìn)行反隱身是一重有效手段，具有重要的應(yīng)用前景。

LTCC(低溫共燒陶瓷)是一種多層陶瓷技術(shù)，它可以將無(wú)源元件內(nèi)埋在基板內(nèi)部，同時(shí)將有源元件安裝在基板表面，在設(shè)計(jì)上具有很大的靈活性。由于LTCC優(yōu)良的材料特性以及其多層結(jié)構(gòu)，可以方便地實(shí)現(xiàn)毫米波電路的三維布線，滿足毫米波電路的高度集成，并可以獲得不同信號(hào)之間的良好隔離，為立體毫米波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種可靠的互連載體，滿足了現(xiàn)代化武器裝備中電子系統(tǒng)日趨小型化的發(fā)展需求?；贚TCC技術(shù)的毫米波集成組件具有體積小、重量輕、功能多、性能優(yōu)、集成化、信息化、高可靠性等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，具有巨大的技術(shù)潛力和需求。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 總體原理方案

毫米波輻射計(jì)通?？煞譃槿β适胶偷峡耸絻纱箢?。對(duì)于積分時(shí)間較長(zhǎng)的輻射計(jì)，如遙感、天文輻射計(jì)等，主要考慮克服系統(tǒng)增益起伏對(duì)靈敏度的影響，所以應(yīng)采用迪克式輻射計(jì)；而對(duì)于積分時(shí)間短的彈載輻射計(jì)，可忽略系統(tǒng)增益起伏對(duì)靈敏度的影響，故采用全功率式輻射計(jì)，從而可以簡(jiǎn)化探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。在本方案中，是按末敏技術(shù)的作用方式來(lái)探測(cè)和識(shí)別目標(biāo)，積分時(shí)間很短(ms級(jí))，因而宜采用全功率式輻射計(jì)。

全功率式輻射計(jì)，根據(jù)信號(hào)處理方法，可分為直流輻射計(jì)和交流輻射計(jì)。直流輻射計(jì)可測(cè)量直流信號(hào)(不掃描目標(biāo))和交流信號(hào)(掃描目標(biāo))，經(jīng)標(biāo)定后可獲取目標(biāo)輻射溫度和目標(biāo)/背景輻射溫度對(duì)比度，但需要一個(gè)高穩(wěn)定高精度的直流參考電壓，且易受環(huán)境溫度變化等影響；交流輻射計(jì)僅適合于與目標(biāo)快速交會(huì)或天線掃描目標(biāo)場(chǎng)合，不能獲得目標(biāo)的輻射溫度，只能獲得目標(biāo)/背景輻射溫度對(duì)比度，但可克服溫度、氣候等環(huán)境因素變化引起的零點(diǎn)漂移對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響。作為導(dǎo)彈末端探測(cè)裝置，毫米波探測(cè)器存在工作環(huán)境惡劣、氣候條件和背景比較復(fù)雜、無(wú)法預(yù)置和調(diào)整門限、啟動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間短等特點(diǎn)，因此本方案采用交流輻射計(jì)，從目標(biāo)/背景輻射溫度對(duì)比度及波形變化中獲取有關(guān)目標(biāo)信息。

抗干擾能力強(qiáng)本就是毫米波輻射計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，為進(jìn)一步提高其抗干擾能力，針對(duì)8mm波段可能存在壓制式干擾的情況，本方案增加一路3mm波段輻射計(jì)。8mm波段和3mm波段都處于大氣窗口，天空溫度較低，適用于毫米波輻射計(jì)。特別是針對(duì)3mm波段的干擾機(jī)目前還未見(jiàn)報(bào)道，因此采用8mm波段和3mm波段雙頻工作可有效提升系統(tǒng)的抗干擾能力。

由于單一天線很難實(shí)現(xiàn)有足夠?qū)挾鹊纳刃尾ㄊ?，因此采用雙天線的結(jié)構(gòu)形式。輻射計(jì)采用兩個(gè)扇形波束，各自覆蓋約90°范圍，通過(guò)高速開(kāi)關(guān)從一個(gè)波束轉(zhuǎn)向另一個(gè)波束，交替將接收到的信號(hào)輸送到放大器。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

輻射計(jì)體制可以用于攻擊大型或小型水面艦船的全天候?qū)?，而不受惡劣海面的雜波信號(hào)的影響。其工作示意圖如圖2所示。圖中所示為一個(gè)具有扇形波束天線所組成的被動(dòng)式毫米波輻射計(jì)。工作時(shí)，接收機(jī)從天線波束內(nèi)的海面和海上目標(biāo)接收所有的黑體輻射能和反射天空的輻射信號(hào)，不管海面呈現(xiàn)的是細(xì)浪還是巨浪，基本為一穩(wěn)定信號(hào)。導(dǎo)彈往目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)目標(biāo)處于波束視界之內(nèi)時(shí)，輸出信號(hào)將發(fā)生變化，并輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，如該信號(hào)足夠強(qiáng)，則后級(jí)處理電路會(huì)發(fā)出目標(biāo)識(shí)別信號(hào)，控制端根據(jù)識(shí)別信號(hào)做出相應(yīng)指令。

1.2 工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

毫米波輻射計(jì)的天線、接收前端、信號(hào)處理電路等適合采用LTCC基板進(jìn)行集成。運(yùn)用表面微帶線-層間帶狀線-表面微帶線的背靠背形式對(duì)毫米波層間互連；根據(jù)縫隙耦合和貼片天線輻射理論，設(shè)計(jì)開(kāi)槽耦合型波導(dǎo)到微帶的過(guò)渡結(jié)構(gòu)，對(duì)組成濾波器的電容、電感等無(wú)源元件實(shí)行內(nèi)埋。必要時(shí)對(duì)毫米波輻射計(jì)集成組件模塊采用雙面開(kāi)空腔的LTCC基板：正面空腔內(nèi)貼裝厚度大元件，正面空腔外表面上混合組裝其它IC裸芯片和元器件；在基板背面中部制作出深大空腔，用于表面組裝不需氣密封裝保護(hù)的大尺寸微封元器件；在基板的側(cè)壁上及背面四周邊緣區(qū)上，制作出封裝適于表面組裝應(yīng)用的膜層焊區(qū)引線端子。

金屬圍框與LTCC基板、金屬蓋板一體化焊封后形成的惰性氣氛氣密環(huán)境可以為裸芯片器件提供必要的保護(hù)，從而保障毫米波輻射計(jì)集成組件模塊的長(zhǎng)期應(yīng)用可靠性。

2 功能單元設(shè)計(jì)

2.1 波導(dǎo)縫隙扇形波束天線設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用波導(dǎo)縫隙天線方案設(shè)計(jì)8mm、3mm毫米波天線。由于天線的波束成扇形，在一個(gè)面的波束寬度極窄而另一個(gè)面的波束寬度較寬的情況下，天線的口徑必然成窄條狀。波導(dǎo)縫隙天線的E面波束寬度大于90°，而H面的波束寬度可以通過(guò)安排多個(gè)縫隙的方式實(shí)現(xiàn)窄波束。

波導(dǎo)縫隙是一種在波導(dǎo)管上開(kāi)有縫隙的天線，也稱為裂縫天線?？p隙天線具有體積小、重量輕、輻射效率高、口徑面幅度容易控制、易于實(shí)現(xiàn)低副瓣、其箱梁式的整體結(jié)構(gòu)能夠滿足高可靠性工程要求等特點(diǎn)，在飛行器雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用很廣泛。

圖3給出了單個(gè)諧振縫隙結(jié)構(gòu)示意圖及其等效電路，其中負(fù)載阻抗ZL的計(jì)算是縫隙諧振長(zhǎng)度計(jì)算的重要內(nèi)容之一，傳統(tǒng)的Elliot設(shè)計(jì)理論采用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)法來(lái)計(jì)算。為了簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，這里給出了負(fù)載阻抗的近似計(jì)算公式。根據(jù)傳輸線理論有：

Z=Z0e-α-jβ

(1)

在縫隙與短路片之間可以近似認(rèn)為是無(wú)耗的，當(dāng)縫隙的中心偏移距離為0時(shí)，縫隙中心的等效負(fù)載阻抗為：

ZL=Z0e-j2β

(2)

當(dāng)縫隙中心偏移距離為x時(shí)，其負(fù)載阻抗為：

(3)

采用上述方法對(duì)單個(gè)縫隙歸一化諧振長(zhǎng)度與中心偏移距離的關(guān)系進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果與文獻(xiàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，不考慮波導(dǎo)壁厚度情況下，理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值基本吻合。

圖4 天線陣列仿真模型圖

由于天線需要工作在8mm波段和3mm波段，需選擇采用兩個(gè)不同的波導(dǎo)縫隙陣列實(shí)現(xiàn)。其優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)頻段的天線波束寬度相同，設(shè)計(jì)靈活度高。由于波導(dǎo)的寬度很窄，仍然保持了較小的天線體積。以8mm波段為例，用全波仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。至于3mm波段的天線，可以采用相同的方式很容易的實(shí)現(xiàn)。圖5為該天線的仿真模型，波導(dǎo)選取為6.12mm×3.7mm的波導(dǎo)，陣列類型為半波長(zhǎng)均勻陣列，縫隙寬度取0.6mm，縫隙長(zhǎng)度為2.7mm。圖6為天線陣列扇形方向圖，而圖7為該天線的仿真S11參數(shù)。

將設(shè)計(jì)好的天線按照一定角度進(jìn)行放置安裝，如圖8所示。長(zhǎng)的為8mm波段天線，兩條線陣之間有一約90°的夾角；短的為3mm波段天線，同樣放置。

2.2 毫米波前端設(shè)計(jì)技術(shù)

采用8mm、3mm交流式直接檢波接收機(jī)。包括低噪聲放大器、高速切換開(kāi)關(guān)、檢波器及高精度放大器等關(guān)鍵部件的選型及電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及小型化是毫米波輻射計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，毫米波直接檢波式輻射計(jì)直接在毫米波波段進(jìn)行信號(hào)的放大和檢波，省去了混頻模塊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小性能好，在彈載等體積小、集成度高的應(yīng)用中有很大的優(yōu)勢(shì)。與超外差式輻射計(jì)相比，毫米波直接檢波式輻射計(jì)主要優(yōu)點(diǎn)如下：

1)噪聲等效溫差(溫度靈敏度)高。由于毫米波低噪聲放大器相對(duì)于混頻中放模塊具有更小的噪聲系數(shù)和更大的帶寬，在相同的積分時(shí)間條件下直接檢波式輻射計(jì)具有更高的溫度靈敏度，作用距離更遠(yuǎn)。

2)無(wú)逆向輻射噪聲問(wèn)題。本振泄漏是造成逆向輻射的主要原因，直接檢波式輻射計(jì)無(wú)本振，基本無(wú)逆向輻射噪聲問(wèn)題。

3)系統(tǒng)可靠性穩(wěn)定性好。直接檢波式輻射計(jì)無(wú)本振，避免了本振穩(wěn)定性問(wèn)題，系統(tǒng)可靠性穩(wěn)定性好。

4)體積小，易共形。MMIC毫米波低噪聲放大器體積很小，可采用平面電路安裝，平面電路的毫米波檢波器體積也很小，因此直接檢波式輻射計(jì)集成度高，體積小，能與使用平臺(tái)共形。

2.2.1 毫米波低噪聲放大電路

系統(tǒng)所需毫米波放大器增益由毫米波檢波器檢波所需信號(hào)功率和系統(tǒng)輸入噪聲信號(hào)功率決定，可表示為

(4)

式中：

PRF——毫米波檢波器輸入功率(即檢波器工作點(diǎn))，PRF=-30dBm；

K——玻耳茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23J/K；

T0——常溫，T0=290K；

B——系統(tǒng)工作帶寬，B=4GHz；

Fm——系統(tǒng)噪聲系數(shù)，F(xiàn)m=13dB。

將上述值代入公式(4)得到所需放大器增益GRF=45dB，一般采用三級(jí)毫米波MMIC低噪聲放大器芯片級(jí)聯(lián)即可得到系統(tǒng)所需增益。

2.2.2 毫米波檢波電路

毫米波檢波電路利用半導(dǎo)體二極管的非線性特性產(chǎn)生的電壓，表征檢測(cè)到的毫米波功率大小。研制的毫米波檢波電路采用微帶電路制作，原理及電路如圖9所示。主要由輸入匹配電路、檢波二極管和低通濾波器組成，整個(gè)電路制作在一塊基板上，采用反向檢波設(shè)計(jì)，檢波二極管反接。原理圖中Lp為檢波器的低頻通路，檢波二極管選用低勢(shì)壘肖特基檢波二極管，這種檢波二極管工作時(shí)無(wú)需外加偏置電壓，靈敏度高，并且頻率響應(yīng)快、動(dòng)態(tài)范圍大、寬頻帶，得到廣泛應(yīng)用。

2.3 放大電路

低頻放大器對(duì)檢波器輸出信號(hào)進(jìn)行放大，其增益可根據(jù)接收機(jī)輸入噪聲溫度變化和總體要求系統(tǒng)輸出信號(hào)幅度變化范圍來(lái)確定。當(dāng)天線接收到的毫米波噪聲溫度變化時(shí)，放大器輸出信號(hào)變化為

ΔV=CdkBGGLFΔTA′

(5)

考慮天線效率及輸入電路損耗引起的衰減，假設(shè)天線輸出噪聲溫度變化量ΔTA′=0～80K。若系統(tǒng)輸出信號(hào)變化幅度ΔV為0～5V，取檢波器電壓靈敏度Cd=500V/W，則由式(5)得系統(tǒng)所需的放大器增益為GLF=2.56×104。

在實(shí)際系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，由于每個(gè)樣機(jī)的毫米波前端特性參數(shù)都有所不同，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)放大器增益作適當(dāng)調(diào)整，使得輸出信號(hào)幅度滿足總體要求。

積分器對(duì)信號(hào)中噪聲進(jìn)行濾波抑制，這里采用RC濾波器作為積分器，并且集成在放大器電路中。

考慮系統(tǒng)其它損耗及各樣機(jī)系統(tǒng)增益不一致性等問(wèn)題，采用3級(jí)運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)以達(dá)到系統(tǒng)所需增益，電路結(jié)構(gòu)如圖10所示。檢波器輸出信號(hào)經(jīng)電容濾波后輸入到放大器，第一級(jí)和第二級(jí)運(yùn)放放大一定倍數(shù)，第三級(jí)運(yùn)放根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果選擇合適放大倍數(shù)。積分器集成在第一級(jí)運(yùn)放電路中，積分時(shí)間由R2、C2進(jìn)行控制，由運(yùn)放電路知識(shí)分析可知，積分時(shí)間為：

τ=2R2C2

(6)

若系統(tǒng)用于一維掃描探測(cè)，系統(tǒng)只需要探測(cè)物體毫米波輻射噪聲溫度的變化，則可根據(jù)需要在視頻放大器電路中串入電容進(jìn)行隔直，使輻射計(jì)輸出表征探測(cè)到的毫米波噪聲溫度變化的交流信號(hào)。

2.4 毫米波段目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別

在毫米波波段，金屬目標(biāo)的輻射率都小于0.01，可以認(rèn)為金屬目標(biāo)自身不輻射能量，僅反射天空及周圍背景的輻射。為此，建立如圖11所示數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行平面金屬目標(biāo)的輻射特性建模。輻射計(jì)是水平掃描的，則輻射計(jì)掃描所得目標(biāo)信號(hào)如圖12所示，是一個(gè)鐘形脈沖。根據(jù)不同目標(biāo)及不同的交會(huì)方式，鐘形脈沖將有不同的幅度和寬度。對(duì)該脈沖進(jìn)行信號(hào)處理，即可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。

毫米波探測(cè)器的信號(hào)處理系統(tǒng)擬以TMS320F2812為核心構(gòu)建電路。TMS320F2812是美國(guó)TI公司推出的一款基于Flash的32位定點(diǎn)DSP，具有運(yùn)算速度快、精度高、編程靈活、功耗低、外設(shè)資源豐富、集成度高、體積小、外圍電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可以滿足海面、艦面自主識(shí)別探測(cè)器的信號(hào)處理系統(tǒng)高速小型化的需要。

3 參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 天線波束寬度、角分辨率和空間分辨率

天線波束寬度為：

(7)

其中：λ——工作波長(zhǎng)；

D——天線口徑。

本項(xiàng)目中，天線波束為扇形，如圖6所示。假設(shè)中心頻率為35GHz，若天線長(zhǎng)邊為300mm，則對(duì)應(yīng)方向波束寬度約為2°；設(shè)短邊為一個(gè)單元，則對(duì)應(yīng)方向波束寬度約為90°。中心頻率為94GHz時(shí)，天線長(zhǎng)邊為112mm，則對(duì)應(yīng)方向則對(duì)應(yīng)方向波束寬度約為2°；設(shè)短邊為一個(gè)單元，則對(duì)應(yīng)方向波束寬度約為90°。

3.2 敏感器積分時(shí)間

波束駐留時(shí)間τd為波束即將接觸目標(biāo)的時(shí)刻到波束完全離開(kāi)目標(biāo)的時(shí)刻之差，如圖13所示。

(8)

其中，a為波束掃描方向目標(biāo)寬度，d為波束在目標(biāo)平面上的投影寬度，v是波束掃描線速度(即導(dǎo)彈在目標(biāo)平面上的飛行速度)。

按照最差情況(即波束駐留時(shí)間最短)進(jìn)行計(jì)算，設(shè)導(dǎo)彈沿海面飛行，速度為4馬赫(最快速度)，即V=1360m/s，導(dǎo)彈到目標(biāo)的距離為100m，導(dǎo)彈高度為80m(最高情況)，則2°波束投影寬度約為6m。

假定艦面最小寬度為19m，根據(jù)式(8)，波束駐留時(shí)間為18ms。接收機(jī)(輻射計(jì))積分時(shí)間：

τd≤0.5τd

(9)

因此積分時(shí)間可取9ms。

由于兩個(gè)波束之間需要切換，需要考慮兩個(gè)波束是平行放置還是前后放置。按照最差情況進(jìn)行計(jì)算，設(shè)導(dǎo)彈沿海面飛行，速度為4馬赫(最快速度)，即V=1360m/s，若積分時(shí)間為9ms，則出現(xiàn)一個(gè)完整的鐘形脈沖約需27ms。此時(shí)按照最快飛行速度，導(dǎo)彈前行了接近37m，而艦面最小寬度為19m，若先掃描的波束沒(méi)有照到目標(biāo)，則有可能漏掉目標(biāo)。因此兩個(gè)波束平行放置不太可行，需一前一后放置，此時(shí)需要考慮兩個(gè)波束之間的夾角。

若選擇較短的積分時(shí)間，τ=3ms，則出現(xiàn)一個(gè)完整脈沖時(shí)導(dǎo)彈最多前行9m，不會(huì)漏掉目標(biāo)。兩個(gè)波束可以平行放置，設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。

3.3 敏感器靈敏度

接收機(jī)靈敏度為：

(10)

其中：TA——天線溫度；

Tm——接收機(jī)噪聲溫度；

Fm——接收機(jī)噪聲系數(shù)；

T0——環(huán)境溫度；

B—接收機(jī)帶寬。

利用公式(10)在T0=290K、B=3GHz、Frn=6dB下可得到不同積分時(shí)間下的靈敏度，如表1所示。

表1 不同積分時(shí)間下的靈敏度

積分時(shí)間靈敏度ΔTmin(K)τ=9ms0.22τ=3ms0.38

3.4 敏感器作用距離

距離公式

(11)

其中：η——天線效率；

AT——目標(biāo)輻射面積；

ΔTT——目標(biāo)背景輻射溫度差；

ΩA——天線波束所張的立體角。

且有 ：

ΔTT=(εb-εt)·(T0-TS)

(12)

其中：εb,εt——分別為背景發(fā)射率和目標(biāo)發(fā)射率；

Ts——天空輻射溫度。

不同的交會(huì)情況，目標(biāo)占據(jù)波束有效面積不同，假設(shè)最差的交會(huì)情況如圖14所示。此時(shí)，兩個(gè)波束都只有一部分照到目標(biāo)，且此時(shí)目標(biāo)最小(a=19m)。

根據(jù)敏感器在距離100m、高度80m處時(shí)目標(biāo)處于波束中的面積約55m2，利用公式(11)、(12)可得，取η=0.6、SNR=10、ε水面=0.63、ε金屬=0、TS晴天=80K、TS陰天=107K時(shí)在不同積分時(shí)間、不同天氣條件下的系統(tǒng)作用距離，如表2所示。

表2 不同天氣條件下輻射計(jì)作用距離

海面金屬目標(biāo)晴天陰天τ=9ms337.8m315.3mτ=3ms256.6m239.5m

通過(guò)以上的計(jì)算分析可知：在晴天、陰天等天氣條件下，系統(tǒng)能滿足在100m距離上識(shí)別海面上的艦船目標(biāo)。

3.5 導(dǎo)彈及波束傾斜角度

導(dǎo)彈在末端按照一定彈道飛行，考慮到引信炸高為10～80m，導(dǎo)彈在距離100m處時(shí)，假設(shè)高度為20m時(shí)，若能照到目標(biāo)，波束與海面夾角為11°；當(dāng)高度為80m時(shí)，波束在距離100m處若能照到目標(biāo)時(shí)，波束與海面夾角為39°。若波束與導(dǎo)彈軸線之間的夾角α為11°，則導(dǎo)彈飛行末端軸線與海面的夾角β的范圍是0°～28°，如圖15所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

用于目標(biāo)識(shí)別的毫米波被動(dòng)探測(cè)體制在發(fā)達(dá)國(guó)家的軍事領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)比較成熟，已經(jīng)有不少型號(hào)裝備部隊(duì)，由于毫米波引信較微波具有更高的精度，更強(qiáng)的抗干擾能力以及比紅外、主動(dòng)引信具有較好的全天候作戰(zhàn)性能，而得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，這些使用毫米波被動(dòng)探測(cè)體制的武器系統(tǒng)均具有較高的命中率和打擊效果。近年來(lái),毫米波固態(tài)器件及單片集成電路的突破性進(jìn)展大大地推動(dòng)了毫米波精確尋的武器系統(tǒng)的研究。

[1] 張光鋒，張祖蔭，郭偉.3mm波段輻射成像研究[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2005.

[2] 張祖蔭，林士杰.微波輻射測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社.

[3] 陳曦，曹東任，吳禮等.金屬球毫米波輻射特性建模與分析[J].光電工程，2013.

StudyonLTCCbased3mm/8mmBandRadiometerPassiveDetection

Li Youchi, Yang Baoping, Fang Jianfeng, Zhu Fengren, Zhu Chenxing

(The No.214 Research Institute of NORINCO group, Suzhou 215163)

Performance of millimeter-wave radiometer passive detection and other detection systems are compared. Basic theory of millimeter-wave radiometer passive detection is introduced, detection method of 3mm and 8mm bands radiation characteristics of metal targets on water surface is proposed. A direct demodulation millimeter-wave radiometer detection system for detecting sea-surface targets is designed, RF front-end, antenna and signal processing unit of the detection system are discussed in detail; a direct demodulation radiometer system which features small-size, light weight, and low power consumption is developed.

millimeter wave radiometer；direct demodulation；target detection；antenna

2017-06-12

李有池(1974-)，男，高級(jí)工程師。主要從事混合集成電路設(shè)計(jì)。

TN974

A

1008-8652(2017)03-011-08