通过系统有源识别器雷达.docx
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通过系统有源识别器雷达
中国人民解放军理工大学通信工程学院
工程硕士研究生学位论文开题报告
工程领域:
研究方向:
入学时间:
研究生姓名:
指导教师:
年月日
填表说明
一、工程硕士研究生学位论文开题报告在导师指导下由工程硕士研究生完成,并由其指导教师同意并签署意见。
二、开题报告应包括以下各项内容:
1.论文题目;
2.论文的来源及意义;
3.本课题在国内外的现状及其发展动向的概述;
4.拟解决的主要问题及其方案;
5.可行性论证;
6.工作进度安排。
三、填写内容力求详尽,如填写不下,可续页。
论文题目:
通信系统微波有源滤波器在雷达的运用
一、研究的背景与意义
随着我国科学技术水平的不断进步,各种前沿的无线通信技术手段被逐渐运用到我国的国防武器装备的设计当中,这其中微波有源滤波器的研究给雷达性能的提高提供了契机。
但是在当代,从总体而言微波有源滤波器的理论还处于不够完善的阶段。
就目前而言,对于微波有源滤波器的研究开始成为滤波器领域研究的最新方向之一。
微波有源滤波器作为现代微波中继通信、微波卫星通信、电子对抗等系统至关重要的一个组成成成分,对于这些系统的正常运行起着巨大的作用。
在这同时,微波有源滤波技术也开始与卫星通信、移动通信、雷达系统、导航系统等的其他的通信系统理论相互融合,从而更好地起到提高这些设备性能的目的。
当代有源滤波器的研究在朝着体积小、重量轻、低损耗、高可靠性、高温补性能等的有源性滤波器方向不断发展,本文的研究就是建立在此基础上,将有源微波滤波器运用于雷达系统中,从而进一步提高雷达的性能。
滤波器是一种能从含有很宽频率成分的信号中选出所需要的成分,并将不需要的成分衰减掉的电路。
滤波器既可用来限定大功率发射机在规定频带内辐射,反过来又可用来防止接收机受到工作频带以外的干扰。
有时需要得到一定的相特性,如脉冲压缩或展宽,或补偿其他滤波器或色散结构,所产生的相位失真等,也需要滤波器的参与。
总之从超长波经微波到光波以上的所有电磁波段,都需要滤波器参与。
根据使用元件的不同,滤波器可以分为无源滤波器和有源滤波器两大类。
传统上无源滤波器主要用于高频,有CL滤波器、声表面滤波器、晶体滤波器等不同类型;传统的有源滤波器则用于中低频段的滤波,其元件主要由有源器件运算放大器,电流反馈放大器,晶体管和场效应管等组成,以CR有源滤波器为原型。
各类变种有源滤波器去掉了电感器,其体积小,Q值可达1000,并且克服了RCL无源滤波器体积大、Q值小的缺点。
七十年代,美国科学家用开关和电容模拟电阻R,证明SCF的性能只取决于电容之比,与电容绝对值无关,一些发达国家单片CSF已成为商品,现在SCF技术己趋成熟。
现代通信设备对微波前端TR/组件的微型化,高可靠性、低价格等呼声甚高,要求微波TR/前端组件能满足指标的同时,尽可能减小电路占用面积。
微波集成电路和微波MCM技术可以很大程度的提高微波前端的集成水平,并具有优良的电气性能,近年来得到迅猛的发展。
由于通信、雷达等事业的发展,迫切需要提供大量品质优良的滤波器。
一般的微波滤波器主要可分为波导型和微带电路型两类,此外还有介质腔滤波器等。
波导型滤波器具有品质优良、腔体Q值高、滤波特性好等优点,其缺点是体积大,也不便于与微波集成电路连接;微带型滤波器虽然体积小,但电路损耗大,滤波器性能难以做得很好;介质腔滤波器具有良好的性能,在微波高频段体积也不大,在微波电路中有广泛应用,但这种滤波器必须封装在金属腔体内,这种结构实际的学术水平还比较具有一定的局限性。
也可以采用1C技术,以此来实现微波有源滤波,这样不仅可以克服无源滤波器中Q值低、插损大的缺点,还可以取得正向增益,使得滤波器的体积也大大减小。
在雷达实际的运行环境中,因为背景反射、大气颗粒及接收系统噪声这些不可控的潜在因素的影响,从而使得雷达的精度有时候会发生降低。
再加上部分不可控的天气条件等多种条件的影响下,以及雷达本身的回波信号比较微弱,从而使得回波信号的探测容易受一些消极影响。
在这些消极影响因素作用下,雷达信号有时会遇到被湮没、完全接收不到信号的情况,这也直接导致可能部分有用信息很难被提取,从而进一步影响了雷达主体对于目标的精确识别。
针对这种情况,一般雷达在设计时候会在尽可能排除背景噪声和系统本身等不确定因素的干扰前提下,进一步提高系统信噪比,这样才可以做到准确提取基于以上因素,基于此,本文研究通过设计一个可行的微波有源滤波器,以此达到进一步降低其背景噪声的干扰的基本目的。
同时本文还有针对性地选择了部分放大电路面进行了详细研究,最终设计出了既能够降低其背景噪声,同时还能将信号尽可能放大用于探测的微波有源滤波器,并且将其与雷达原有的系统进行融合,以此提高达到进一步有效提高雷达性能的目的。
二、研究的现状分析
就目前来说,因为有源滤波器在通信、信号处理、雷达等各种电路系统中具有广泛用途,所以在各个国家普遍受到比较大的重视,发展的速度也相对比较迅速。
另一方面随着移动通信、电子对抗和导航技术的飞速发展,对新的微波元器件的需求和现有器件性能的改善提出了更高的要求,这对滤波器提出了更加严格的性能要求,因此一些研究专家也开始把视线转向有源微波滤波器,并且借助于有源微波滤波器与其他通讯设备实现融合,以此实现各类通讯设备性能的改善。
就目前而言,不少发达国家比较青睐于利用新材料和新技术来提高器件性能和集成度,同时也在试图找到可以达到尽可能降低成本,减小器件尺寸和降低功耗的基本目的的技术手段。
与国外一些发达国家相比,我国的有源滤波器的发展还处于不够领先的状态,总体而言,我国在该领域的理论研究还处于不够完善的阶段。
一方面,有源滤波器在低频频段的应用已相当广泛,技术也比较成熟,并且其使用价格低廉、性能优异的运算放大器和集中参数元件构成的反馈和藕合电路,以此可以有效补偿无源器件的损耗,从而实现高阶传递函数,且其物理结构十分紧凑可以有效减小体积。
但是在高频,由于缺少宽带、高增益的器件完成运算放大器的功能,且由于有源器件时延的影响,不能得到固定的相移以获得正反馈,因而不能将低频的方法直接用在微波频率上,这就限制了微波有源滤波器的发展。
直到80年代后期由于变容管、回转器、微波BJT以及GaASFET等微波有源器件的迅速发展,有源滤波器开始才广泛用于l一15GHz的频率范围。
特别是近几年来GaASMMIC技术己成功运用于匹配网络、合路器、环行器等微波有源电路,用这种技术发展有源滤波器,将是微波滤波器的一场革命。
微波有源滤波器的研究干作己经起步,并取得了一定的进展,但也存在许多具体的设计实现所要解决的问题。
例如GaASFET的非线性,低Q值,MM工C电路寄生电感、电容的影响等。
这些困难在MMIC放大器设计中会进一步得微波有源滤波器的研究与设计到克服,因而人们有理由相信MMIC有源滤波器研究及其应用能够取得更大的进步。
被较多研究和应用于实践的有源微波滤波器电路可分为具有变换导抗的晶体管滤波器以及无源滤波器结构中引入负动态阻抗有源路件的滤波器。
目前国外已有相应公司在大量生产微滤波器器件,比较著名的公司有美国的DLI、TRANS-TECH、日本MURATA、英国的FILTRONIC公司等。
他们生产的各种微波介质陶瓷滤波器、双工器、谐振器、介质天线等产品已用于微波基地站、手机及无绳电话等产品中,取得了显著的经济和社会效益。
随着现代材料科学与电子信息科学技术的交叉渗透,新材料和制造工艺技术的发展,如单片集成电路、MEMS、LTCC等工艺,极大地带动了微带和其他类型滤波器的飞速发展。
全国固态化的各类片式高频、微带滤波器和中频滤波器,向着高性能、低成本、小型化、高频化等各方面飞快发展。
有源滤波器去掉了电感器,体积小,Q值可达1000,克服了无源滤波器体积大,Q值小的缺点,是当代通讯领域的研究的重点热门方向。
三、研究的主要内容
本文研究以微波有源滤波器作为研究的主体,所研究设计出的微波滤波器主要都是有源微波滤波器,和传统滤波器相比具有一些特殊的优势,可以有效提高雷达的性能,以此提高我国现代化信息化作战能力。
当然LC滤波器也有一定的局限性,其原因主要是因为在低频段时电感元件都是用线圈缠绕成的,基于此,本研究用有源RC滤波器来代替一般性能的LC滤波器进行研究。
当然这样的代替的好处还在于可以达到有效提高的Q值的基本目的,在此基础之上还可以进一步实现模块化,以此可以有限提高雷达原有的微波滤波器性能,进而使得雷达的整体性能获得有效提高,以此促进我国军事工业的进一步发展。
当然本研究所设计出的有源微波滤波器和传统有源滤波器相比,主要是去掉了电感器器件,使得新的设计出的有源滤波器具有体积小、Q值可达1000、克服了无源滤波器体积大Q值小的缺点的诸多优势,在将其与雷达原有的系统结合之后,完全可以做到进一步提高雷达性能。
本研究的主要内容是将有源微波滤波器应用于雷达接收端系统的性能的提高。
这是由于本研究新设计出的有源带通滤波器可以去掉了电感器器件,使得新的设计出的有源滤波器性能获得更大的提高,在将其与雷达原有的系统结合之后,完全可以做到进一步提高雷达性能。
本文主要是探索性能更好的的微波有源滤波器,并且将其运用于雷达系统接收端性能的改善。
本文对微波有源滤波器关键技术进行研究,并且将其运用于雷达接收端系统性能的提高,同时结合仿真实验相关数据,通过对器件参数的研究以及实验环境等客观条件导致的现象结果,分析其中可以提升的地方,以便进一步提高雷达的性能。
四、研究方法与研究思路分析
(一)本文研究基本方法阐述
本研究运用的基本方法包括文献分析以及实证分析两种方法。
所谓的文献分析法就是通过查阅与本研究相关的纸质版书籍文献以及通过互联网收集与研究相关的研究所需要的相关参考资料。
其中纸质版书籍文献的查阅主要是通过学校的图书馆、所在城市图书馆、城市各大书店等进行相关图书文献的查阅,而互联网知识的查阅方式主要是通过Q博士图书馆、中国知网、XX文库、道客巴巴、360个人图书馆、XX知识、知乎、XX学术、搜狗知识这几类主要互联网进行相关资料的查阅。
并且在此基础之上再查阅ADS软件方面的相关资料,掌握相关的研究方法。
所谓的实证研究,其实就是在仿真实验得出的相关数据基础之上,对有关的数据建立相关的数学模型,确定自变量、因变量、并且以控制变量的形式对数据建立相关研究模型,并且运用模型对相关数据进行有效分析,在运用到的模型中,回归模型运用得比较多。
通常实证分析都是在仿真实验步骤中进行,并且通过实证分析进行可以确定模型的有效。
(二)本文研究思路阐述
本研究主要运用理论分析加仿真实验的方法,并且以仿真实验的方法对改进后的雷达通信系统进行比较客观的的数据研究分析,通过具体的数据得出雷达的性能的改变的具体的情况。
当然配备了微波有源滤波器之后的雷达可以做到去掉电感器器件,使得新的设计出的有源滤波器具有体积小、Q值可达1000、克服了无源滤波器体积大Q值小,也就是说使得微波有源滤波器与雷达原有的系统结合之后,完全可以做到进一步提高雷达性能。
五、论文的结构安排
第一章绪论
l.1研究背景与意义
1.2国内外研究的基本现状
1.2.1国内的研究现状
1.2.3国外的研究现状
1.3论文的内容与框架
1.4本研究的基本创新点
第二章微波有源滤波器与雷达系统融合相关理论综述
2.1有源微波滤波器器设计方法
2.2微带传输线
2.3网络理论
2.4微波低噪声放大器
2.5雷达接收端与有源微波滤波器的融合
第三章微波有源滤波器
3.1微波有源滤波器的理论研究
3.2微波滤波器带通单元的理论研究
3.3微波滤波器带通单元的理想模型
第四章微波滤波器的设计与雷达融合研究
4.1放大器电路的设计
4.2滤波器电路的设计
4.3宽带滤波器电路的设计实现
4.4微波有源滤波器电路的实验研究
4.5微波有源滤波器与雷达系统合并电路探讨
第五章结论与展望
5.1研究结论
5.2研究展望
六、致谢
七、参考文献
八、附录
六、拟解决的主要问题及方案
(一)拟解决的主要问题
本研究需要解决的主要问题,包括雷达接收端信号放大问题,以及运用有源微波滤波器进一步减小其接收端体积同时提高其抗干扰的基本能力问题。
研究过程受到背景反射、大气颗粒及接收系统噪声等影响,本研究在进行外场测量运用了有源微博滤波器的雷达性能这一工作时,回波信号一般比较微弱,这使得回波信号的探测变得很困难,甚至存在信号被湮没、完全接收不到信号的情况,导致有用信息很难被提取,从而影响目标的识别。
针对这种情况,本研究在设计雷达微波接收端系统时,尽可能排除背景噪声和系统本身等不确定因素的干扰,充分考虑提高系统信噪比的方法,以便更有效地提取回波功率信息来确定目标特征。
本研究通过设计有源微波滤波器,来进一步充分降低背景噪声的干扰。
同时本研究还在选择放大电路方面进行了探讨,最终设计出了能够既考虑了降低其背景噪声,同时还能将信号尽可能放大用于探测的滤波电路,并且运用有源滤波器理论将其体积进一步缩小。
显然,低噪声放大器在放大雷达接收端信号上起着至关重要的作用,它可以降低系统噪声、提高整个系统的探测性能。
在雷达接收端滤波环节,虽然传统的LC滤波器的滤波性能已经很好了,但是LC滤波器也有其局限性。
因为在低频段时电感元件很难做小由于它的电感元件是用线圈缠绕成的,所以在低频段使用时常用有源RC滤波器来代替LC滤波器。
这种代替的好处还在于可以达到很高的Q值并实现模块化而且设计简单,基于此,本研究选用了有源滤波器来进行研究。
(二)解决问题主要方案
本研究主要方案就是充分借助于ADS软件进行研究,并且研究方案中中还融入微带传输线,这也使得有源滤波器的体积可以进一步减少,并且其性能得到更大的提高。
ADS,即AdvaneedDesignSystem的简称,它是AgilentTeehnoligyieS公司推出的一套电路设计软件。
AgilentTechonligies公司把HPMDS和HPEEsofIV两者的精华有机地结合起来,并增加了许多新的功能,便构成了ADS软件。
目前ADS己被广大电子工程设计师们所接受和喜爱,它的应用场合主要包括射频和微波电路的设计、DSP设计、通信系统的设计、电磁矩量仿真。
1、其一般设计过程包括:
(1)输入电路。
也就是将电路化分为不同的元件的组合并且建立相应的数据文件。
(2)仿真优化。
利用软件的功能,对输入的电路进行仿真或优化计算。
在计算的过程中,要正确地选取中间变量,选用正确计算方法。
(3)显示结果。
ADS可以方便地显示仿真优化的结果,随时根据需要,查看计算结果。
为了分拆设计成功与失败的原因,加快设计过程,检查设计结果是非常重要的。
(4)工艺图的生成。
软件的工艺图的自动生成,不仅为设计者实现电路设计提供了方便的工具,而且机器生成的工艺图往往和软件的模型有着很好的一致性,可以避免一些差错。
当然设计一个电路,仅仅在计算机上工作是不够的,还要进行最终的电路测试。
但使用一个好的CDA软件,可以最大程度地降低电路的调试测量工作量,提高设计效率,这也真是本研究主要采取ADS作为研究的主要方案的重要原因。
2、ADS在RF微波有源滤波器设计中的应用
ADS是一个功能十分强大的EDA软件系统,用于微波电路的CDA设计部分可以包括以下几方面的内容:
一、线性微波电路的CA交流小信号分析、S参数分析和LSSP大信号S参数分析用于计算加有信号源的线性微波电路的各节点电压、支路电流以及由此导出的其他电特性参量;或计算内部不含信号源的线性微波电路的S参数。
二、微波电路的DC直流分析用于计算加有直流电源的微波电路中各器件的直流工作点。
三、非线性微波电路的BH谐波分析用于分析弱非线性微波电路的稳态特
性,包括XDB功率压缩特性、谐波分布、交调特性、稳态波形等。
四、非线性微波电路的TRANSIENT瞬态分析用于分析强非线性微波电路的特性,包括瞬态波形和脉冲数字电路等。
五、微波电路的NO工SE噪声分析用于分析线性和非线性微波电路的噪声特性。
六、微波电路的优化设计用户给定电路的拓扑结构、各元件初始值和电路
的设计指标目标,EDA软件自动改变元件值,直到满足电路的设计指标目标。
七、微波电路的容差分析和容差设计计算电路元件的允许公差、分析元件
公差的各种分布形式和元件公差对微波电路特性的影响以及通过改变元件的中心值来使所生产的电路达到最高的成品率。
8、微波部件和电路的电磁仿真采用电磁场数值计算方法,配以方便的用户界面,用于一些微波部件和电路的仿真。
其Momenutm程序是一个采用矩量法的“二维半”电磁场仿真软件。
自动划分矩量法所需的矩形或三角形单元,软件可给出网络S参数、Y参数或Z参数并有可视化的电磁场或电流分布画面。
九、微波集成电路的布线和版图设计自动或交互式将微波电路的电原理图
转换成微波集成电路的工艺版图,进行设计规则检查。
十、微波元件和电路的INSRTUMENT虚拟仪器仿真及计算机辅助测试包括测量系统的校准、晶体管壳支架参数的剥离、测量仪器和微波电路EDA软件的接口。
十一、微波器件的建模和参数提取包括各种微波半导体器件的建模和参数
提取、微波分布参数和集总参数元件的实验建模、标准工艺加工线元件数据库等。
DAS具有13000种以上的元件模型,400种以上的双极晶体管和60种场效应晶体管线性模型,1200种的非线性元件模型、晶体管和二极管的SIPCE模型,非线性元件数据库,系统级模块元件数据库。
十二、微波系统仿真对各种不同规模的微波系统进行仿真,以便得到系统的各种特性指标,这是微波系统设计的重要手段。
输出结果的显示包括阻抗和导纳史密斯圆图,直角坐标图,时域波形图,频谱图,等噪声圆,等增益圆,稳定判断圆,仿网络分析仪显示图等。
十三、微波滤波器和匹配网络的综合在电路设计时,用户给定的要求数据是电路特性指标和网络阶数等网络指标,经软件工具包进行综合后,输出的是符合或接近这些指标的电路结构和元件值。
十四、微波电路和系统设计的专家系统ADS提供了多种获得帮助文件的途径,主要包括用户手册自带设计例程、各种设计模板及向导等,用户可以获得详细的、最新的帮助文件。
十五、微波部件和电路的热分析包括分析微波部件和电路的温度分布和温度变化对电特性的影响。
对于高集成度集成电路和大功率器件的封装设计非常重要。
微带线是微波输线的一种,作为微波传输线有平行线、同轴线、波导、带状线和微带线等不同形式。
平行传输线在频率升高就有显著的辐射损耗,不适于作为很高频率波段的传输线和电路元件,因此发展成为封闭结构的同轴线和波导,防止了辐射损耗,大大提高了工作性能,把微波技术推进到一个新的水平;但是同轴线和波导的最大缺点是体积、重量大。
随着雷达和其他空用电子设备、卫星通信设备的发展,电子设备减轻体积、重量也成为一个重要问题,向高度集成化、小型化发展是微波电子设备发展的趋势。
微带线却比上述传输线有巨大的优势,微带线的结构如下图:
(a)带状线(b)微带线
图1-1图1-2
微带线可印制在很薄的介质基片上,故其横截面尺寸比波导、同轴线小得多。
其纵向尺寸虽和工作波长可以比拟,但因可采用高介电常数的介质基片,使线上的波长比自由空间波长小了几倍。
此外整个微带元件共用接地板,只须由导体带条构成电路图形,使整个电路的结构大为紧凑。
由于上述原因,微带电路较好地解决了小型化问题,与波导、同轴线元件相比,大大地减小了体积、重量。
基于以上原因,本研究以微带传输线作为继ADS方案之后又一个比较突出的研究方案参与研究,其目的就是为了达到进一步有效缩减雷达接收端体积,并且提高其性能的基本目的。
6、创新点之处与可行性分析
本研究主要是通过设计一个性能更加良好的微波有源滤波器,并且将其与雷达接收端系统进行融合,从而达到进一步提高雷达性能的基本目的。
本研究研究成果有助于雷达更精确地获取必要信息,同时采用微波有源滤波器来减小其体积,在此基础之上再提高接收系统的信噪比,以此更好地排除背景和噪声的干扰。
然后本研究重点研究了微波有源滤波器的设计与仿真,并重点论述了微波有源滤波器的相关理论,在此基础之上设计出一个性能更加良好的微波有源滤波器,并且将其与雷达接收端系统进行有效融合,以此进一步提升雷达的抗干扰能力并且有效缩减雷达的接收端体积。
随后讨论了微波有源滤波器集成运算放大器增益变化的灵敏度,并求解出符合要求的双二次有源带通滤波电路参数。
根据求解出的电路参数,对双二次有源带通滤波器进行仿真。
最后本文创新性得设计出新的微波有源电路,并且运用ADS软件进行仿真论证实验,实验结果表明本文设计的微波有源滤波器达到预期的设计目标。
7、工作进度安排
2017年6月10日--7月15日:
查资料,调研,确定方案,并按时在系统中提交开题报告。
2017年3月16日--4月25日:
熟悉相关软件,并熟练应用,完有源带滤波器的设计。
在系统中提交外文翻译;完成中期检查报告。
2017年5月26日—5月20日,对相关系统加以或者改变,完成毕业设计验收。
2018年7月21日-9月31日:
完成毕业设计任务,并在系统中提交最终论文。
2018年7月1日--10月15日:
毕业设计答辩。
8、参考文献
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