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

        2017-12-05 01:49:05李有池楊寶平房建峰朱鳳仁朱震星
        火控雷達(dá)技術(shù) 2017年3期
        關(guān)鍵詞:波束寬度輻射計(jì)檢波

        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

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