一種基於集成乘法器的微波輻射計檢波器及其檢波方法

2023-05-28 09:07:21

專利名稱：一種基於集成乘法器的微波輻射計檢波器及其檢波方法
技術領域：
本發明屬於微波遙感技術領域，涉及一種基於集成乘法器的微波輻射計檢波器及其檢波方法。
背景技術：
微波輻射計是一種被動式微波遙感設備，是通過接收被觀測場景輻射的微波能量來探測目標特性的。微波輻射計輸入功率是由熱噪聲形成的，微波輻射計天線接收的信號經變頻、放大、濾波後進入檢波器，檢波前輸入的中頻信號服從均值為0，方差為O的高斯分布，通過檢波得到信號的功率，以電壓的形式給出。對檢波器輸出電壓進行定標後，即建立輸出電壓與天線視在溫度的關係，就可以確定所觀測目標的亮溫度，該溫度值包含了輻射體和傳播介質的一些重要物理信息。針對微波輻射計功率檢波的需求，目前採用的最常用方法是二極體平方律檢波，利用二極體非線性即平方律區進行功率檢波，但是因二極體有兩個固有特性:(1)它的非線性區窄即平方律檢波動態範圍小，通常平方律檢波器的輸入功率在_30dBm以下，檢波後的信號也十分微弱；(2)隨溫度變化伏安特性溫漂大，因此真實的反映微波輻射計天線接收來自觀測場景的微波輻射亮溫變化，必須要解決檢波動態範圍小及溫漂問題。因為由檢波器溫漂所引起的輸出變化將被誤認為是天線視在溫度輸入發生了變化，從而引起測量誤差，溫漂是限制檢波線性度、測量精度的重要因素。為解決檢波電壓溫漂問題，以及提高檢波的動態範圍達到微波輻射計測量的高線性和高靈敏度，以往所採取的措施增加了電路的複雜程度。

發明內容
本發明解決的技術問題是:克服現有技術的不足，提供一種基於集成乘法器的微波輻射計實現大動態範圍(_45dBm +13dBm)、高線性的功率檢波方法，通過集成乘法器完成對微波輻射計接收機輸出中頻信號的平方變換，實現代替傳統的利用二極體的非線性區實現同一功能的一種方法。本發明的技術方案是:一種基於集成乘法器的微波輻射計檢波器，包括集成乘法器、低通濾波器、直流放大器；外部的微波輻射計接收機輸出的中頻信號經過功分之後分別送至集成乘法器的兩個輸入端，經過功分之後的兩個輸入信號在集成乘法器內進行平方運算，並將結果以直流電壓的形式輸出至低通濾波器；低通濾波器濾除疊加在直流電壓上的紋波及雜波，濾波後的直流電壓被送至直流放大器進行放大，並被輸出。一種基於集成乘法器的微波輻射計檢波方法，步驟如下:I)將微波輻射計接收機接收的含有待觀測場景的微波輻射亮溫信號進行變頻、放大、濾波、功分後，輸出中頻信號並分別送至集成乘法器的兩個輸入端；2)使用集成乘法器將輸入進來的兩個中頻信號相乘，相乘結果以直流電壓的形式輸出至低通濾波器；3)使用低通濾波器濾除疊加在直流電壓上的紋波及雜波，並輸出穩定的直流電壓至直流放大器；4)採用直流放大器對輸入進來的直流電壓進行直流放大後輸出，作為微波輻射計檢波器的檢波電壓，從而獲得微波輻射計檢波器輸入功率與微波輻射計檢波器輸出電壓之間的線性關係。本發明與現有技術相比的優點在於:本發明所述的一種基於集成乘法器的微波輻射計檢波方法，實現代替傳統的利用二極體的非線性區實現同一功能的一種方法，這種方法的優點是:(I)集成乘法器本身具有非常大的動態範圍(_45dBm +13dBm) ；(2)集成乘法器有寬的溫度適應範圍(_55°C 125°C)，因此其溫度漂移很小。由於這兩大優點實現所述通過集成乘法器完成對微波輻射計接收機輸出中頻信號的平方變換，即完成微波輻射計功率檢波不需要額外的電路對接收機輸出的動態範圍和其溫度特性進行調節，極大的降低了利用二極體檢波帶來的電路複雜度，並且與二極體檢波不同，乘法器檢波輸出結果在很大溫度範圍內保持一致，以往受環境溫度變化檢波電壓漂移問題得到解決，對於微波輻射計工作溫度範圍要求也得到降低；同時集成乘法器通常在很大溫度範圍內相比微波二極體檢波器表現出更為優異的線性度，因此其檢波線性度相比二極體檢波也有所提高。本發明還具有實現簡單、可靠性高等優點，已應用在星載微波輻射計中完成功率檢波。


圖1為採用集成乘法器的微波輻射計檢波方法原理框圖；圖2為一組檢波器輸入與集成乘法器輸出測試實例曲線；圖3為一組集成乘法器輸出與檢波器輸出測試實例曲線。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的詳細描述:如圖1所示本發明描述的方法為圖中虛線框中部分，為本發明一種基於集成乘法器的微波輻射計檢波器及其檢波方法的原理框圖，包括集成乘法器、低通濾波器、直流放大器。微波輻射計輸入功率是由熱噪聲形成的，微波輻射計天線接收的信號經變頻、放大、濾波後進入檢波器，檢波輸入的中頻信號服從均值為0，方差為O的高斯分布，通過檢波得到信號的功率，以電壓的形式給出。集成乘法器工作頻段滿足微波輻射計檢波輸入的中頻信號頻段範圍，輸入動態範圍在_45dBm +13dBm滿足微波輻射計中頻動態範圍。集成乘法器溫度適應範圍(_55°C +125°C)滿足星載微波輻射計工作溫度範圍。本項目選用AD834集成乘法器，選用0P07直流放大器，低通濾波器自製。微波輻射計接收機輸出的中頻信號經過功分之後分別送入到集成乘法器的兩個輸入端，形成一個輸入信號的平方運算，集成乘法器I輸出結果為直流電壓，直流電壓經低通濾波器濾波和直流放大後輸出，建立檢波器輸入功率和檢波器輸出電壓之間的關係，其數學關係如下:微波輻射計輸入亮溫與微波輻射計接收機輸入功率存在如下關係:Pi=IcTB..............................(I)其中Pi表示微波輻射計接收機輸入功率；對於一個真實的微波輻射計接收機其輸入功率和輸出功率之間存在如下關係:
P0=GP^Prec........................(2)其中P。表示微波輻射計接收機輸出功率，G為接收機增益，Prec為接收機本機噪聲功率。微波輻射計接收機的輸出功率，即微波輻射計檢波器的輸入功率，與微波輻射計檢波器輸出電壓存在如下關係:P0=V2/R...........................⑶由公式(I) (2) (3)可得檢波器輸入功率和檢波器輸出電壓之間的關係:GkTB+Prec=V2/R..................(4)其中T表示微波輻射計輸入亮溫，k為波爾茲曼常數，B為接收機帶寬，R為接收機阻抗，V為檢波器輸入電壓，一個真實的接收機其帶寬和阻抗都是常數，k也是常數，如果不考慮其增益的波動和本機噪聲的波動，視其為常數，則接收機的輸入亮溫和檢波器輸入電壓平方之間存在線性關係，微波輻射計即利用這種線性關係實現對被目標亮溫的測試，同時這種線性關係的相關性也直接影響到了測試的準確性。因此微波輻射計檢波器的作用是明確的，既將微波輻射計輸入的噪聲功率轉換為其輸出電壓的平方，以獲得輸入功率和電壓平方之間的關係，其輸出電壓平方以一種直流電壓的形式存在，這種直流電壓易於進行AD量化，獲得高精度的測量結果，從而利用數字結果描述微波輻射計系統輸入亮溫和輸出電壓之間的線性關係，完成對亮溫的測量。對於一般的集成乘法器，其輸入和輸出關係如下列公式:Vx=AxSin (ωχ )
Vy=AySin (ωγ )...........................(5)其中，Ax, Ay為輸入信號幅度，ωχ, ωy為輸入信號角頻率，t為時間；對於微波輻射計檢波應用，Ax=Ay, cox=coy，即Vx=Vy=Vi/2。因此檢波器的輸入和輸出可簡單描述為:
K = V,2/4，Vi和V。表示為一種平方關係，與公式(4)在數學上一致，因此可以利用集成乘
法器完成功率檢波。本發明一種基於集成乘法器的微波輻射計的具體檢波步驟為:首先微波輻射計開機工作之後給檢波器提供+5V工作電壓，微波接收機輸出的中頻信號經過功分之後分別送入到本發明描述的集成乘法器的兩個輸入端，形成一個輸入信號平方運算，完成公式(4)所描述的功能，乘法器輸出結果為直流電壓。其次將乘法器輸出的直流電壓，輸入到無源的低通濾波器，濾除疊加在檢波直流電壓上的一些紋波及雜波，輸出穩定的直流電壓。因為微波輻射計是一種被動式微波遙感設備，檢波後含有有用信息的直流電壓非常微弱，通常要進行上千倍的直流放大，才能滿足AD採集器的接口需求，如果不進行低通濾波，經上千倍的直流放大後微弱的有用信息將埋沒在大量無用的噪聲中將難以分辨。通過低通濾波器後，輸出穩定的微弱的直流電壓。低通濾波器截止頻率的選取應滿足微波輻射計測溫靈敏度和線性度要求。最後經直流放大器進行直流放大後輸出，直流放大倍數根據滿足微波輻射計AD採集器所需要的直流電平接口要求決定。通過以上三個步驟建立了微波輻射計檢波輸入功率和輸出電壓之間的線性關係，即將星載微波輻射計接收到的含有 觀測場景有用的微波輻射亮溫信號能量轉換為直流電壓形式，完成輻射計檢波功 能， 並得到一個穩定的、高線性的微波輻射計檢波電壓。
—組檢波器輸入輸出測試實例數據如下表:
權利要求
1.一種基於集成乘法器的微波輻射計檢波器，其特徵在於:包括集成乘法器、低通濾波器、直流放大器；外部的微波輻射計接收機輸出的中頻信號經過功分之後分別送至集成乘法器的兩個輸入端，經過功分之後的兩個輸入信號在集成乘法器內進行平方運算，並將結果以直流電壓的形式輸出至低通濾波器；低通濾波器濾除疊加在直流電壓上的紋波及雜波，濾波後的直流電壓被送至直流放大器進行放大，並被輸出。
2.一種基於集成乘法器的微波輻射計檢波方法，其特徵在於如下步驟: 1)將微波輻射計接收機接收的含有待觀測場景的微波輻射亮溫信號進行變頻、放大、濾波、功分後，輸出中頻信號並分別送至集成乘法器的兩個輸入端； 2)使用集成乘法器將輸入進來的兩個中頻信號相乘，相乘結果以直流電壓的形式輸出至低通濾波器； 3)使用低通濾波器濾除疊加在直流電壓上的紋波及雜波，並輸出穩定的直流電壓至直流放大器； 4)採用直流放大器對輸入進來的直流電壓進行直流放大後輸出，作為微波輻射計檢波器的檢波電壓，從而獲得微波輻射計檢波器輸入功率與微波輻射計檢波器輸出電壓之間的線性關 系。
全文摘要
本發明涉及一種基於集成乘法器的微波輻射計檢波器及其檢波方法，實現代替傳統的利用二極體的非線性區實現同一功能的一種方法，這種方法的最大好處在於集成乘法器本身具有非常大的動態範圍，並且其溫度漂移很小，因此不需要額外的電路對接收機輸出的動態範圍和其溫度特性進行調節，極大的降低了利用二極體帶來的電路複雜度，並且與二極體不同，其檢波輸出結果在很大溫度範圍內保持一致，對於微波輻射計工作溫度範圍要求也得到降低。同時集成乘法器通常在很大溫度範圍內相比微波二極體檢波器表現出更為優異的線性度，因此其檢波線性度相比二極體檢波也有所提高，實現簡單、可靠性高，適於所有星載微波輻射計檢波應用，具有廣闊的市場應用前景。
文檔編號G01S1/04GK103217661SQ20131010868
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月29日 優先權日2013年3月29日
發明者周曉華, 李軍, 李 浩, 遲吉東, 陳文新, 段崇棣, 李延明 申請人:西安空間無線電技術研究所