多通道频带合成辐射计性能分析及实验验证

发布时间：2018-12-24 12:35

【摘要】：辐射计是一种具有很高灵敏度的接收机,通常用于测量物体热辐射,辐射计的温度灵敏度是辐射计系统的主要指标之一。对于单一通道的辐射计接收机,通过采用高性能的微波器件和增加检波前带宽的方法,在一定程度上可以提高辐射计的温度灵敏度进而满足各种实际应用要求。然而对微波辐射计来讲,虽然很难在辐射计系统电路结构类型上有所突破性改进,但是这是微波辐射计研究的一个重要研究方向,对微波辐射计的应用也尤为重要。本文以如何利用新的电路结构提高辐射计温度灵敏度为出发点,提出了通过多通道频带合成的方法以提高灵敏度。同时,为了实现多通道频带合成辐射计系统的集成化和小型化,对多通带滤波器、波导滤波器及波导到微带过渡进行了研究。本论文的主要研究工作包括以下几个方面:根据现有传统辐射计的特点以及其在改善温度灵敏度问题上存在的局限性,在传统辐射计的基础上提出了利用多通道频带合成的方法提高辐射计温度灵敏度。本文详细介绍了多通道频带合成辐射计系统的工作原理及实现方法,并结合实例说明了频带合成辐射计中工作频带的变化情况。同时,根据传统辐射计温度灵敏度公式,推导出了多通道频带合成辐射计的温度灵敏度公式。为了便于利用传统辐射计温度灵敏度公式表示多通道频带合成辐射计温度灵敏度,本文推导得出了两者之间的关系式。为了验证多通道频带合成辐射计温度灵敏度公式的正确性,利用信号与系统相关理论,对多通道频带合成辐射计温度灵敏度公式进行了推导验证。结合对多通道频带合成辐射计的理论分析,本文利用仿真和实验验证的方法对所提出的多通道频带合成辐射计进行验证。在仿真验证方面,首先建立多通道频带合成辐射计系统仿真模型及相关的元器件仿真模型。其次作为多通道频带合成辐射计仿真的对照组,按照传统辐射计系统原理建立了单通道直接检波和超外差辐射计系统仿真模型。再次,建立了两个双通道频带合成辐射计仿真系统模型和一个三通道频带合成辐射计系统仿真模型,并仿真得出对应的系统温度灵敏度,并与理论值做对比。最后对比了多通道频带合成辐射计与传统单通道频带合成辐射计温度灵敏度的关系,验证了多通道频带合成辐射计理论的正确性。在实验方面,首先根据系统平台要求,研制了对应的电路模块。其次,利用所研制的模块搭建了直接检波和超外差辐射计系统实验平台以及双通道频带合成辐射计系统实验平台,并通过定标实验得出对应的温度灵敏度。最后,对比双通道频带合成辐射计与直接检波和超外差辐射计的温度灵敏度之间的关系,验证了多通道频带合成辐射计理论的正确性。由于现有辐射计系统仿真模型的局限性,不能够真实地模拟宽带辐射计系统,如系统增益频响波动和等效噪声温度的频响波动对宽带辐射计系统温度灵敏度的影响。本文提出了宽带辐射计系统仿真模型。该模型可以真实地模拟实际辐射计系统工作情况(如随频率变化的噪声系数、增益的频响波动及系统工作温度的改变等)及定标。在同一个仿真模型中,利用频域仿真可以获得如等效带宽等频域参数,通过时域仿真模拟定标,进而得到仿真温度灵敏度。为了验证噪声系数的频响波动对温度灵敏度的影响,提出了系统噪声系数模型,进行模拟实际辐射计系统中噪声系数的波动情况。结合系统噪声系数模型和宽带辐射计仿真模型验证了随频率变化的噪声系数与温度灵敏度之间的关系。系统增益波动对等效带宽有着直接影响,进而影响温度灵敏度。利用宽带辐射计系统仿真模型、系统噪声系数模型以及辐射计等效带宽模型,通过模拟定标验证了等效带宽与辐射计温度灵敏度之间的关系以及宽带辐射计仿真模型的正确性。最后通过具体的实验验证了所提出的噪声波动与温度灵敏度的关系,辐射计等效带宽与温度灵敏度的关系以及宽带辐射计仿真模型的正确性。为了实现辐射计系统的小型化及提高集成度,本文对多通带平面滤波器、波导滤波器及具有滤波功能的波导到微带过渡进行了研究。在平面滤波器方面,首先对枝节加载和阶梯阻抗谐振器做了理论分析,在此基础上利用不同结构的谐振器研制了小型化的单通带、双通带、三通带、四通带滤波器、超宽带滤波器和具有陷波特性的超宽带滤波器。其次,提出了仅利用一个环形谐振器实现单通带、双通带和三通带带通滤波器的方法,并给出了理论分析及设计实例。在波导滤波器方面,研制了三款具有不同工作频带和低插损的W波段宽带鳍线滤波器。实现方法简单,便于与其他系统集成。为了进一步实现系统小型化设计,结合波导到微带过渡和滤波器的特点,提出了具有滤波功能的波导到微带过渡。该结构在不增加体积的前提下实现了波导到微带过渡和带通滤波器的双重功能,使得一个器件多个功能实现了小型化设计。同时还在阻带内引入了多个传输零点,提高了选择性和带外抑制特性。
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【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN713;TN851
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本文编号：2390634