毫米波系统应用技术

毫米波系统应用技术2008年微波技术新进展毫米波的特点毫米波有三个基本特点：•波长极短(频率极高)•带宽很宽•在空间传播与大气环境关系密切大气和降雨对毫米波传播的影响显著“大气窗口”：35、94、140和220GHz四个频段上衰减较小大气吸收频带：60，120，183GHz频段上衰减最大13000ft海拔高度海平面高度频带极宽通常选用大气吸收以外的“窗口”波长(mm)：8.63.22.11.4频率(GHz)：3594140220带宽(GHz)：16232670可见，毫米波频谱资源十分丰富，可用于“信息高速公路”。丰富的频带资源提供了抗干扰、抗截获的另一有效途径——宽带扩频技术8mm和3mm窗口频段的大气和传播效应对比单程损耗(dB/km)参数35GHz94GHz晴朗大气衰减0.120.4雨衰减(mm/h)0.25(细雨)1.0(小雨)4.0(中雨)16.0(大雨)0.070.241.04.00.170.953.07.4云衰减雨云干云5.140.5035.043.78雾衰减(g/m3)0.01(薄雾)0.10(厚雾)1.00(浓雾)0.0060.060.60.0350.353.5雪衰减(0C)0.0070.0028o毫米波信号受降雨衰减较大——缺点与红外、激光相比：毫米波最突出的优点是对雾、云和尘埃等有较强的穿透能力，较少受复杂气象条件和人为干扰的影响大气和降雨对毫米波传播的影响显著毫米波具有穿透等离子体的能力，故在等离子体环境中仍能保持高速飞行器再入大气层时的通信、测量和制导能力毫米波技术应用领域毫米波通信毫米波雷达毫米波辐射计毫米波医学应用——毫米波辐射治疗仪毫米波电磁能武器军事集团局域联网城市内部局域联网特殊环境应急通信及现场转播星间通信战场侦察雷达汽车防撞雷达直升机防撞雷达主动末制导导引头目标成像射电天文观测被动末制导导引头1030507090110130150170190210230250应用空对空导弹拦截/搜索雷达空对地短程雷达/火控引信测高雷达地面C点对点PLIC/战场C卫星通信系统下联上联横联地对空搜索/火控雷达遥感/遥控战术搜索雷达高分辨力航空雷达GHz333射电天文近代毫米波系统优先选用的频谱分布毫米波通信Millimeter-waveCommunication以毫米波作为载波的无线电视距通信毫米波通信的分类毫米波模拟通信毫米波数字通信毫米波地面通信毫米波卫星通信军用通信民用通信按设备所处位置分毫米波通信特性用于近距离的点对点保密通信解决现有微波通信频段拥挤的有效手段，实现高速数据、电话和视频信号的传输用于卫星通信在激烈的电子对抗中使用在多雾、云和尘埃的环境使用由于毫米波通信与传统的短波、超短波相比具有通信容量大、电波隐蔽和设备轻等优点，各国军界都对它极感兴趣厂家功能发射功率天线直径/波束重量支架38GHzNorden全双工,话音,TV,20Mbt/s100mW30cm/26.8kg手持38GHzNorden全双工，话音，简化TV,5Mbt/s50mW10cm/52.3kg固定或车载38GHzHughes全双工,话音,TV,5Mbt/s典型值150mW10.6cm/519.5kg手持MISR60GHzNorden全双工，话音，简化TV,5Mbt/s25mW10cm/3.52.3kg可调(固定或车载)60～70GHzAIL全双工，话音，TV,2.5Mbt/s100mW15cm/2.518kg双频(固定或车载)60～70GHz全双工，话音，TV,25Mbt/s100mW7.6m/4.2oooooo国外毫米波通信系统的性能我国毫米波通信技术发展现状从1984年起，成都、北京、南京、西安等地的数家大学相继开展了八毫米波段军用和民用接力机（通信机）1989年，电子科技大学完成三毫米波段通信系统的实验样机研究1999年，电子科技大学完成三毫米波接力机研制2001年以来，南京理工大学承担了八毫米波接力机生产任务国内毫米波通信系统实例适合于1～2公里距离的应急转播•单向传输•一路视频+伴音•电池供电三小时连续工作——八毫米波便携式视频转播系统——三毫米波模拟通信系统适合于4～6公里距离的机动通信•双向传输•一路视频+一路伴音+一路勤务话国内毫米波通信系统实例信号处理终端——三毫米波数字通信系统高频前端适合于6～8公里距离的机动联网•双向传输•最高传输码率8Mbit/s•附加一路勤务话通道国内毫米波通信系统实例三毫米波数字通信系统射频前端设计方案实例•收发异频全双工•3mm波发射源和本振源采用锁相频率源•采用毫米波注锁放大雪崩源•采用低噪声3mm波混频器•收发双工采用滤波器＋环行器结构•射频单元和基带单元通过视频信号互连•采用PCM/ΔM-FSK调制体制，最高码率8Mb/s射频电路方案：毫米波通信系统与微波通信系统的主要差异在于射频电路的设计和实现方式3mm复合谐波振荡器3mm复合谐波振荡器~雪崩注锁放大器3mm卡塞格林天线3mm收发双工器锁相电路Pt＝17dBm1.5dB1.5dB1dB60dB3mm混频器低噪声中放L=7.5dBG=27dBNf=1dB调制/解调器至信号终端发射机接收机发射、本振采用毫米波锁相源技术：一个微波PLL驱动两个毫米波PLL晶振数字调制信号微波放大器谐波混频器毫米波谐波VCO微波放大器环路滤波器功分器微波VCO环路滤波器环路滤波器3mm复合谐波振荡器3mm复合谐波振荡器本振发射PLL0PLL1PLL2谐波混频器毫米波谐波VCO对毫米波源的锁相和调制实际上是矛盾的！解决方案：1.从环路着手：设计合理的环路带宽，使信号频率高于环路带宽2.从信号特征着手：选用低频分量少的码型，进行扰码处理，避免长“0”或长“1”出现毫米波直接数字调制锁相源的实验结果未锁相时解调出的波形2048kbit/s数字信号眼图锁相时解调出的波形512kbit/s数字信号眼图三毫米收发双工器（异频双工）结构：带通滤波器＋环行器作用：环行器：提供起码的收发通道和一定的收发隔离发射通道滤波器：抑制雪崩源的基底噪声接收通道滤波器：抑制从环行器泄漏的发射功率~雪崩注锁放大器（基底噪声大）3mm卡塞格林天线3mm收发双工器L(ft)1.5dBL(fr)1.5dB1dBftftfrPr＝－78dBmPr'＝－79.5dBmPt＝17dBmPt'＝－40.5dBm隔离20dBL(fr)40dBL(ft)40dBft发射机基底噪声ftfrft抑制基底噪声ftft异频双工的工作原理：抑制发射泄漏三毫米波射频前端成品系统射频前端结构集成电源调制解调锁相电路中放避雷器3mm射频前端三毫米波通信系统应用配置情况Millimeter-WaveRADAR毫米波雷达战场侦察雷达车载、机载防撞雷达火控雷达主动末制导导引头………应用领域工作体制连续波(CW、FMCW)雷达相参、非相参脉冲雷达单脉冲跟踪雷达合成孔径(SAR)雷达相控阵雷达………与微波雷达相比：具有角分辨力高(在同样天线尺寸条件下)、多普勒分辨力高、抗干扰能力强等优点。在直升机、巡航导弹和反坦克制导武器中己广泛使用与红外或激光传感器相比：气象适应性好，可穿透雨、雾、战场浓烟、尘埃进行探测毫米波雷达特性微波毫米波集成电路取得了重大突破后，新型高效、大功率毫米波功率源、介质天线、集成天线、低噪声接收机芯片等相继问世，使毫米波雷达发生了更新换代的变革，大大拓宽了它的应用领域。现在的集成电路技术已能把发射机、接收机和天线这样几个子系统构成一个成型模块毫米波雷达发展潜力美军AH－64“长弓阿帕奇”直升机装载Ka波段毫米波火控雷达长弓系统以武装直升机为作战平台，任务是在夜间、雨、雾、雪及战场烟、尘等低能见度下，摧毁地面目标和低空目标采用了一块HEMT功率放大器模块：它内含16片单片微波集成电路，在Ka波段每片输出功率为1瓦，放大器模块有16瓦的功率输出美国通用动力公司Pomona部研制的毫米波FMCW测试雷达工作频率85.3GHz，机载平台美国HughesAircraftCompany:60GHz汽车防撞雷达探测头丹麦：毫米波内弹道多普勒测速雷达工作频率：•35GHz•55GHz•95GHz天线形式：300mm圆锥喇叭透镜固态收发前端线性度数字校正系统背景综合抑制距离分段处理频域动态范围压缩机场场面成像结果主要技术指标工作频率：35GHz工作体制：LFMCW平均功率：50mW天线波束：0.9°×3°距离分辨：0.25m/1.0m扫频带宽：600/150MHz电子科技大学：Ka波段二维成像雷达机场环境成像机场环境地图成都新津机场平面图电子科技大学：高炉料面实时三维三毫米成像雷达主要技术指标系统体制：LFMCW工作频率：95GHz扫描方式：机械扫描扫频带宽：1GHz安装方式：炉顶外部发射功率：40mW扫描时间：25sec天线口径：120mm测试点数：800测量精度：2cm高炉料面实测结果安装在宝钢高炉上1345627891010毫米波雷达在精确制导中的应用•毫米波技术是研制重量轻、体积小、速度高、具有直接命中精度的拦截器导弹末制导的重要技术手段•毫米波精确制导是目前在大气环境下对付超高速目标或超高速载导引头的唯一手段，同时也是检测、跟踪低速目标的良好手段•毫米波技术是目前抗干扰的一种重要手段•毫米波具有良好的抗多径能力，因此其制导技术具有良好的低空、超低空性能和优越的俯视跟踪能力SAR成像导引头对地成像结果德国EADS公司8mmSAR成像导引头：德国EADS公司94GHz成像导引头(红外/毫米波复合制导)DBS成像导引头对地成像结果DBS成像导引头实物照片乡村城郊机场美国马丁公司35GHz毫米波导引头