冰层厚度探测雷达射频前端的设计与实现

发布时间：2017-07-16 10:01

  本文关键词：冰层厚度探测雷达射频前端的设计与实现

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【摘要】：21世纪以来,海洋经济迅速发展,逐渐成为我国国民经济一个重要组成部分,海洋在社会经济发展中的作用和地位与日俱增。然而,我国沿海海域却经常受到海冰灾害的影响。严重时,海冰可以封锁航道、破坏船舰甚至推倒海洋石油平台,对海上设施造成巨大破坏,给海洋经济造成巨大的损失。为了保证冰区作业的安全和减小海洋经济的损失,必须对海冰进行监测和预报,而海冰监测环节中至关重要的部分是对冰厚的精确测量。本文通过查阅国内外有关于海冰厚度测量的相关文献,对探冰雷达的发展过程和现状进行了阐述,简单介绍了国内外各种海冰厚度测量方法的原理并比较了各自的优缺点。结合我国沿海地区薄冰的特点,确定冰层厚度探测雷达的系统方案,设计了一款工作频段为8GHz~12GHz的线性调频连续波(LFMCW)冰层厚度探测雷达,它具有低成本、低功耗、小型化的优点,理论分辨力可以达到3.75cm,能够精确测量薄冰的厚度。本文对LFMCW雷达的探冰原理进行了理论上的探讨和可行性的验证试验,给出了LFMCW探冰雷达系统的基本组成,并对其理论探测分辨力进行了分析;根据理论和实际的要求,确定探冰雷达系统的各项指标要求,根据指标要求选择相应的调制周期和调制带宽;选用高1dB压缩点和低噪声系数的功率放大器芯片和低噪声放大器芯片,使探冰雷达系统具有较高的发射功率以及较大的接收动态范围;结合微带线的相关理论,对PCB板材厚度、相对介电常数和射频信号走线宽度进行选择和设计,并对射频前端关键电路进行了Cadence和ADS的级联仿真分析,缩短了设计时间和减小了设计成本,增加了硬件电路实现的可行性;本系统采用模块化的思想,因此,探冰雷达系统射频前端的每个功能电路都采用单独的模块进行实现,方便后期实验的测试和改进;完成了冰层厚度探测雷达射频前端各个主要模块的硬件制作、安装与调试,并将测试结果与仿真结果进行对比分析,提出偏差产生的原因以及改进方法。
【关键词】：海冰 雷达 LFMCW 分辨
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH766
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 国内外研究现状12-13
• 1.3 研究内容以及本文结构13-15
• 第二章 冰层厚度探测雷达分析15-24
• 2.1 直接测量法15-16
• 2.2 间接测量法16-23
• 2.2.1 电磁感应测量法16-17
• 2.2.2 仰视声纳测量法17-18
• 2.2.3 脉冲雷达测量法18-20
• 2.2.4 遥感测量法20-21
• 2.2.5 LFMCW雷达测量法21-23
• 2.3 本章小结23-24
• 第三章 冰层厚度探测雷达系统方案设计24-42
• 3.1 冰层厚度探测雷达方案选择24-29
• 3.1.1 探测方案25
• 3.1.2 前期模拟实验25-29
• 3.1.3 探冰雷达系统框架图29
• 3.2 LFMCW雷达测距原理29-31
• 3.3 探冰雷达系统参数选择31-32
• 3.3.1 调制周期选择31
• 3.3.2 调制中心频率和带宽的选择31-32
• 3.4 射频前端模块32-34
• 3.4.1 调频连续波频率源32-33
• 3.4.2 功分器33
• 3.4.3 天线33-34
• 3.5 探测范围34-35
• 3.6 系统参数35-39
• 3.6.1 噪声系数和灵敏度35-36
• 3.6.2 动态范围36-37
• 3.6.3 无杂散动态范围37-38
• 3.6.4 S参数38-39
• 3.7 前端芯片选择及系统链路预算39-41
• 3.8 本章小结41-42
• 第四章 射频前端系统的电路设计42-56
• 4.1 射频前端电路模块42-52
• 4.1.1 LNA模块的实现42-45
• 4.1.2 混频器模块的实现45-48
• 4.1.3 功率放大器模块的实现48-52
• 4.2 电源电路的设计52-54
• 4.3 射频PCB设计54-55
• 4.3.1 PCB布线设计54-55
• 4.3.2 电源去耦和接地55
• 4.3.3 射频PCB设计中的注意事项55
• 4.4 本章小结55-56
• 第五章 射频前端硬件模块的测试56-76
• 5.1 常用指标测试方法56-59
• 5.1.1 测试设备56
• 5.1.2 射频前端系统实物图56-57
• 5.1.3 常用指标测量方法57-59
• 5.1.4 测量注意事项59
• 5.2 射频前端硬件模块性能的测试59-69
• 5.2.1 功率放大器模块60-62
• 5.2.1.1 增益与增益平坦度测试60
• 5.2.1.2 输出 1dB压缩点测试60-61
• 5.2.1.3 反射系数测试61-62
• 5.2.2 低噪声放大器模块62-64
• 5.2.2.1 增益与增益平坦度测试62
• 5.2.2.2 输出 1dB压缩点测试62-63
• 5.2.2.3 反射系数测试63
• 5.2.2.4 噪声系数测试63-64
• 5.2.3 混频器模块64-69
• 5.2.3.1 变频损耗测试64-65
• 5.2.3.2 输入 1dB压缩点测试65
• 5.2.3.3 谐波抑制比测试65-66
• 5.2.3.4 隔离度测试66-67
• 5.2.3.5 电压驻波比测试67-68
• 5.2.3.6 中频输出范围测试68-69
• 5.3 探冰雷达系统测试69-72
• 5.3.1 输出功率测试69
• 5.3.2 增益测试69-70
• 5.3.3 噪声系数测试70
• 5.3.4 灵敏度测试70-71
• 5.3.5 动态范围测试71
• 5.3.6 无杂散动态范围测试71-72
• 5.4 系统实验72-75
• 5.5 本章小结75-76
• 第六章 总结与展望76-77
• 致谢77-78
• 参考文献78-80

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本文编号：548098