連續波雷達直達波對消子系統設計

摘要：為了提高連續波穿墻生命探測雷達目標的生命回波信號的檢測效果，在發射機和接收機之間增加直達波對消子系統模塊。在2．4 GHz頻段，采用射頻集成芯片進行直達波對消子系統的硬件設計。根據對消后的實時功率檢測結果，通過微處理器的自動搜索控制程序，調節對消估計信號的幅度和相位，最后實現對消比大于40 dB的直達波射頻頻段自動對消效果，有效地降低連續波雷達的強直達波的干擾。
關鍵詞：連續波雷達；射頻干擾；直達波對消；2．4 GHz頻段

0 引言
連續波體制穿墻生命探測雷達的直達波干擾相對于目標的生命回波信號具有很強的能量，對目標回波信號的檢測造成了嚴重干擾。直達波干擾也稱載波泄漏或同頻干擾，主要是指發射機發出的微波波束經靜止障礙物反射產生的同頻反射回波和收發端耦合產生的同頻耦合波。直達波干擾會直接導致接收機性能指標下降，甚至接收機前端飽和，使雷達不能正常工作，因此必需要解決連續波雷達的直達波干擾問題。
本文用射頻對消方法，結合自動控制原理，把發射端的本振信號引入到接收輸入端，然后通過相位和幅度調節產生對消估計信號，使其與接收機接收到的強直達波進行矢量相加，達到去除直達波干擾的目的。該子系統用作頻率為2．4 GHz的連續波體制穿墻生命探測雷達接收機前端的信號預處理子系統。

1 直達波對消設計原理分析
1．1 對消基本原理分析
直達波對消基本原理的矢量表示如圖1所示，在矢量坐標平面，對消估計信號S1(t)與直達波干擾信號Sr(t)進行矢量相加，當對消估計信號S1與直達波干擾信號Sr幅度相等，相位相反時，矢量相加后達到功率完全對消的理想狀態，從而達到抑制直達波干擾的目的。
本文參考雷達振蕩源信號經幅度衰減和移相的方法得到對消估計信號的原理，加以改進并進行硬件設計。
假設本地發射機發射的本振信號為S0(t)，接收機接收的直達波干擾信號為Sr(t)，對消估計信號為S(t)，理想對消的基本思想的數學表達式為：
Sr(t)+S(t)=0 (1)
由于墻壁、廢墟等產生強回波的物體都是靜止的，所以Sr(t)中的幅度Ar和相位θ，在對消過程中將保持不變。對消估計信號的幅度A和相位θ，變化范圍分別為(Amin，Amax)和(0，2π)，A，θ在這其取值區間內存在：
Ar=A；θr=θ+π (2)
使得S與Sr幅度相等，相位相反，滿足式(1)，達到對消的理想狀態。由此可以看出通過本振信號的幅度和相位變換得到對消估計信號S。
1．2 對消系統效果評價分析
如圖1所示，實際產生的對消估計信號S1和直達波干擾信號Sr不可能完全達到幅度相等、相位相反，所以對消會不徹底，兩者將會合成一個新的矢量信號Se，稱為對消后剩余誤差信號。為了評價對消性能，引入對消比的概念，把直達波干擾信號功率P和對消后剩余誤差信號功率Pe之比定義為對消比，單位為dB。對消比D數學表示為：

實際對消估計信號S1和理想對消估計信號S的幅度偏差的百分比記為△A，△A=(|S1|-|s|)／|S|，相位偏移量記為△θ。對消剩余矢量Se的幅度為：

根據上述關系式，利用Matlab軟件仿真，可得到幅度偏差△A、相位偏移量△θ與對消比D的等值曲線關系圖。如圖2所示為幅度偏差在10％以內，最大相位偏移量為10°的對消比等值曲線圖，當幅度差值為0，相位偏移為0時，對消比達到最佳值，理論上為無窮大。對于大于30 dB的高對消比而言，其相位偏移量應在(-2°，2°)之間，幅度差異在4％以內，達到40 dB，相位和幅度要求將非常苛刻。對消電路必須采用閉環的調整電路才能實現，而且對硬件設計的穩定性和精度要求較高。