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超宽带穿墙成像雷达利用超宽带信号的宽频带特性以及电磁波对非金属障碍物的穿透能力,能够实时探测隐蔽于墙壁等非金属障碍物后面目标的数量、空间分布和活动情况等信息,以图像方式实时显示探测结果,且具有较高分辨率,在军事和民用方面具有广泛的应用前景。本文在吸取国内外前人工作成果的基础上对该课题开展了进一步的深入研究,研制出满足不同应用要求的超宽带雷达脉冲发射机和不同取样门结构的超宽带接收机,并提出了基于混合采样方法的超宽带数字接收机的设计方法。完成的发射机和接收机分别应用于穿墙成像雷达系统样机中,实验测试结果证实了本文研制的发射机和接收机的技术指标满足系统要求,性能稳定可靠。
论文的主要工作和创新成果如下:
1.针对发射天线为非平衡馈电结构的雷达系统,基于阶跃恢复二极管设计并研制出单极性高斯脉冲发射机,包括输出脉冲宽度为400 ps-500 ps的皮秒级脉冲发射机和脉冲宽度为1 ns-2.5 ns的纳秒级脉冲发射机,其脉冲幅度与宽度均可调,可满足不同超宽带雷达系统的应用要求。在单极性脉冲发射机电路的基础上,设计并研制出单周期脉冲发射机,采用微带线结合微分电路的方法将单极性高斯脉冲转化为单周期脉冲,其脉冲宽度为500 ps,电压幅度峰峰高达7.6 V,且脉冲振铃小。
2.针对发射天线为平衡馈电结构的雷达系统,设计并研制出双极性平衡脉冲发射机,可以分别输出脉冲宽度为500 ps、脉冲幅度±4 V的皮秒级平衡脉冲以及脉冲宽度为3 ns、脉冲幅度±8 V的纳秒级平衡脉冲。
3.针对远距离探测应用,设计并研制了双极性高压脉冲发射机。与传统的雪崩三极管级联方式(MARX电路)不同,该发射机采用漂移阶跃恢复二极管(DSRD)作为高功率开关,可以产生脉冲幅度为±380 V的对称高压脉冲。
4.针对接收天线为非平衡馈电结构的雷达系统,根据二极管半桥式取样门原理,分别设计并研制出基于微带线/耦合槽线魔T的超宽带接收机和基于取样相位检测器(SPD)的超宽带接收机,其中后者的采样带宽高达6 GHz。
5.针对接收天线为平衡馈电结构的雷达系统,设计并研制出基于二极管平衡取样门的平衡馈电超宽带雷达接收机,可对双路超宽带回波信号进行采样和接收,采样带宽为4.3 GHz。
6.提出了一种基于FET采样门的平衡馈电接收机电路设计方法,并对电路进行了仿真和分析。仿真结果表明,该接收机具有比二极管取样门更为优越的超宽带特性。
7.基于混合采样方法,设计并研制出基于宽带ADC的超宽带数字接收机。相比以模拟器件为核心的等效采样接收机,提高了雷达的采样速度和采样效率。
8.分别将研制出的超宽带发射机和接收机应用于穿墙成像雷达系统和手持式穿墙探测雷达中,根据系统集成和结构优化布局需要,分析研究了发射机和接收机模块安装方式、电缆布设、馈电方式等因素对系统性能的影响。