基于LTCC技术的3mm/8mm波段被动探测器研究

李有池 杨宝平 房建峰 朱凤仁 朱震星

(中国兵器工业第214研究所 苏州 215163)

基于LTCC技术的3mm/8mm波段被动探测器研究

李有池 杨宝平 房建峰 朱凤仁 朱震星

(中国兵器工业第214研究所 苏州 215163)

对毫米波被动探测与其他探测体制的性能进行了对比分析，介绍了毫米波被动探测的基本理论，提出了3mm与8mm波段水面金属目标的辐射特性检测方法。设计了用于探测海面金属目标的直接检波式毫米波辐射探测系统，对辐射探测系统的射频前端、天线、信号处理等各个部件展开详细的计算和讨论，构建了一套完整的体积小、重量轻、功耗低，可满足实际探测要求的直接检波式辐射计系统。

毫米波辐射计；直接检波；目标探测；天线

0 引言

对海上舰船目标的自主识别是提高海上可靠捕获、精确跟踪和打击的重要基础或前提，这项技术的研究和运用被认为是提高海军各类新式武器作战能力的重要措施。而现代海战战场电磁环境日趋恶劣，又使得反舰武器作战效能的发挥受到了极大的制约，如何提高反舰武器适应复杂战场环境的能力已成为国内外该领域研究的热点之一。目前，目标识别技术使用较多的几种主要探测体制有：无线电探测、红外探测、激光探测、主动毫米波探测以及被动毫米波探测。然而，每种探测体制都有其优缺点和最佳使用场合，从导引头制导技术考虑，为适应精确探测及精确识别目标中心的要求，复合探测技术已成为精确探测的一个重要措施。从探测系统考虑，综合利用导引头提供的信息，实现引信自适应起爆控制是提高引战配合效率的最佳途径之一。因此，开展包含被动毫米波探测技术的制导引信一体化技术研究，采取一系列措施以提高引信与战斗部的配合效率，对于提高反舰武器作战效能具有重要意义。

与其他光电探测(红外、激光、电视探测等)方式相比，毫米波被动探测器具有较突出的特点，毫米波被动探测器又称毫米波辐射计，它自身不发射毫米波，只是接收目标辐射或散射的毫米波，是一种毫米波辐射信号的高灵敏度接收机。它通过探测目标的毫米波辐射特性,利用目标与背景的毫米波辐射特性差异进行目标的探测、识别和制导。毫米波被动探测器具有灵敏度高、工作频带宽，抗干扰性强的优点，由于本身不辐射能量，敌方雷达无法捕捉到信号，因此适用于抗应答式、诱饵式等有源干扰。同时，被动探测几乎不受角反射器和散射网等无源干扰影响。在军事应用中具有良好的隐蔽性和防止反辐射导弹袭击的能力。在近距离探测处于不同背景环境下(如海天、草地、土地、密植被等)的大型金属目标，特别是驱逐舰、航空母舰、坦克、装甲车辆、战场指挥车等目标方面，毫米波被动探测器具有其他探测体制不可比拟的优点。实践表明，被动毫米波末制导及成像系统能在晴天、阴天、雾天和沙尘环境下有效侦察地面的军事和非军事目标。而且在现代战争中，军事目标的雷达隐身技术正逐渐被广泛采用，目前可以采用雷达隐身防护的目标不但包括飞机、军舰、坦克，甚至包括火炮和营房等等。而利用毫米波辐计进行反隐身是一重有效手段，具有重要的应用前景。

LTCC(低温共烧陶瓷)是一种多层陶瓷技术，它可以将无源元件内埋在基板内部，同时将有源元件安装在基板表面，在设计上具有很大的灵活性。由于LTCC优良的材料特性以及其多层结构，可以方便地实现毫米波电路的三维布线，满足毫米波电路的高度集成，并可以获得不同信号之间的良好隔离，为立体毫米波系统的设计提供了一种可靠的互连载体，满足了现代化武器装备中电子系统日趋小型化的发展需求。基于LTCC技术的毫米波集成组件具有体积小、重量轻、功能多、性能优、集成化、信息化、高可靠性等特点和优势，具有巨大的技术潜力和需求。

1 方案设计

1.1 总体原理方案

毫米波辐射计通常可分为全功率式和迪克式两大类。对于积分时间较长的辐射计，如遥感、天文辐射计等，主要考虑克服系统增益起伏对灵敏度的影响，所以应采用迪克式辐射计；而对于积分时间短的弹载辐射计，可忽略系统增益起伏对灵敏度的影响，故采用全功率式辐射计，从而可以简化探测系统的结构。在本方案中，是按末敏技术的作用方式来探测和识别目标，积分时间很短(ms级)，因而宜采用全功率式辐射计。

全功率式辐射计，根据信号处理方法，可分为直流辐射计和交流辐射计。直流辐射计可测量直流信号(不扫描目标)和交流信号(扫描目标)，经标定后可获取目标辐射温度和目标/背景辐射温度对比度，但需要一个高稳定高精度的直流参考电压，且易受环境温度变化等影响；交流辐射计仅适合于与目标快速交会或天线扫描目标场合，不能获得目标的辐射温度，只能获得目标/背景辐射温度对比度，但可克服温度、气候等环境因素变化引起的零点漂移对探测结果的影响。作为导弹末端探测装置，毫米波探测器存在工作环境恶劣、气候条件和背景比较复杂、无法预置和调整门限、启动稳定时间短等特点，因此本方案采用交流辐射计，从目标/背景辐射温度对比度及波形变化中获取有关目标信息。

抗干扰能力强本就是毫米波辐射计的优点，为进一步提高其抗干扰能力，针对8mm波段可能存在压制式干扰的情况，本方案增加一路3mm波段辐射计。8mm波段和3mm波段都处于大气窗口，天空温度较低，适用于毫米波辐射计。特别是针对3mm波段的干扰机目前还未见报道，因此采用8mm波段和3mm波段双频工作可有效提升系统的抗干扰能力。

由于单一天线很难实现有足够宽度的扇形波束，因此采用双天线的结构形式。辐射计采用两个扇形波束，各自覆盖约90°范围，通过高速开关从一个波束转向另一个波束，交替将接收到的信号输送到放大器。系统总体方案如图1所示。

辐射计体制可以用于攻击大型或小型水面舰船的全天候导弹，而不受恶劣海面的杂波信号的影响。其工作示意图如图2所示。图中所示为一个具有扇形波束天线所组成的被动式毫米波辐射计。工作时，接收机从天线波束内的海面和海上目标接收所有的黑体辐射能和反射天空的辐射信号，不管海面呈现的是细浪还是巨浪，基本为一稳定信号。导弹往目标运动，当目标处于波束视界之内时，输出信号将发生变化，并输出一个脉冲信号，如该信号足够强，则后级处理电路会发出目标识别信号，控制端根据识别信号做出相应指令。

1.2 工艺结构设计

毫米波辐射计的天线、接收前端、信号处理电路等适合采用LTCC基板进行集成。运用表面微带线-层间带状线-表面微带线的背靠背形式对毫米波层间互连；根据缝隙耦合和贴片天线辐射理论，设计开槽耦合型波导到微带的过渡结构，对组成滤波器的电容、电感等无源元件实行内埋。必要时对毫米波辐射计集成组件模块采用双面开空腔的LTCC基板：正面空腔内贴装厚度大元件，正面空腔外表面上混合组装其它IC裸芯片和元器件；在基板背面中部制作出深大空腔，用于表面组装不需气密封装保护的大尺寸微封元器件；在基板的侧壁上及背面四周边缘区上，制作出封装适于表面组装应用的膜层焊区引线端子。

金属围框与LTCC基板、金属盖板一体化焊封后形成的惰性气氛气密环境可以为裸芯片器件提供必要的保护，从而保障毫米波辐射计集成组件模块的长期应用可靠性。

2 功能单元设计

2.1 波导缝隙扇形波束天线设计

本系统采用波导缝隙天线方案设计8mm、3mm毫米波天线。由于天线的波束成扇形，在一个面的波束宽度极窄而另一个面的波束宽度较宽的情况下，天线的口径必然成窄条状。波导缝隙天线的E面波束宽度大于90°，而H面的波束宽度可以通过安排多个缝隙的方式实现窄波束。

波导缝隙是一种在波导管上开有缝隙的天线，也称为裂缝天线。缝隙天线具有体积小、重量轻、辐射效率高、口径面幅度容易控制、易于实现低副瓣、其箱梁式的整体结构能够满足高可靠性工程要求等特点，在飞行器雷达领域的应用很广泛。

图3给出了单个谐振缝隙结构示意图及其等效电路，其中负载阻抗ZL的计算是缝隙谐振长度计算的重要内容之一，传统的Elliot设计理论采用感应电动势法来计算。为了简化了计算过程，这里给出了负载阻抗的近似计算公式。根据传输线理论有：

Z=Z0e-α-jβ

(1)

在缝隙与短路片之间可以近似认为是无耗的，当缝隙的中心偏移距离为0时，缝隙中心的等效负载阻抗为：

ZL=Z0e-j2β

(2)

当缝隙中心偏移距离为x时，其负载阻抗为：

(3)

采用上述方法对单个缝隙归一化谐振长度与中心偏移距离的关系进行分析，并将分析结果与文献测量结果进行比较，不考虑波导壁厚度情况下，理论计算值与实验测量值基本吻合。

图4 天线阵列仿真模型图

由于天线需要工作在8mm波段和3mm波段，需选择采用两个不同的波导缝隙阵列实现。其优点是两个频段的天线波束宽度相同，设计灵活度高。由于波导的宽度很窄，仍然保持了较小的天线体积。以8mm波段为例，用全波仿真软件进行设计。至于3mm波段的天线，可以采用相同的方式很容易的实现。图5为该天线的仿真模型，波导选取为6.12mm×3.7mm的波导，阵列类型为半波长均匀阵列，缝隙宽度取0.6mm，缝隙长度为2.7mm。图6为天线阵列扇形方向图，而图7为该天线的仿真S11参数。

将设计好的天线按照一定角度进行放置安装，如图8所示。长的为8mm波段天线，两条线阵之间有一约90°的夹角；短的为3mm波段天线，同样放置。

2.2 毫米波前端设计技术

采用8mm、3mm交流式直接检波接收机。包括低噪声放大器、高速切换开关、检波器及高精度放大器等关键部件的选型及电路设计。系统的稳定性、可靠性及小型化是毫米波辐射计的关键问题，毫米波直接检波式辐射计直接在毫米波波段进行信号的放大和检波，省去了混频模块，结构简单，体积小性能好，在弹载等体积小、集成度高的应用中有很大的优势。与超外差式辐射计相比，毫米波直接检波式辐射计主要优点如下：

1)噪声等效温差(温度灵敏度)高。由于毫米波低噪声放大器相对于混频中放模块具有更小的噪声系数和更大的带宽，在相同的积分时间条件下直接检波式辐射计具有更高的温度灵敏度，作用距离更远。

2)无逆向辐射噪声问题。本振泄漏是造成逆向辐射的主要原因，直接检波式辐射计无本振，基本无逆向辐射噪声问题。

3)系统可靠性稳定性好。直接检波式辐射计无本振，避免了本振稳定性问题，系统可靠性稳定性好。

4)体积小，易共形。MMIC毫米波低噪声放大器体积很小，可采用平面电路安装，平面电路的毫米波检波器体积也很小，因此直接检波式辐射计集成度高，体积小，能与使用平台共形。

2.2.1 毫米波低噪声放大电路

系统所需毫米波放大器增益由毫米波检波器检波所需信号功率和系统输入噪声信号功率决定，可表示为

(4)

式中：

PRF——毫米波检波器输入功率(即检波器工作点)，PRF=-30dBm；

K——玻耳兹曼常数，K=1.38×10-23J/K；

T0——常温，T0=290K；

B——系统工作带宽，B=4GHz；

Fm——系统噪声系数，Fm=13dB。

将上述值代入公式(4)得到所需放大器增益GRF=45dB，一般采用三级毫米波MMIC低噪声放大器芯片级联即可得到系统所需增益。

2.2.2 毫米波检波电路

毫米波检波电路利用半导体二极管的非线性特性产生的电压，表征检测到的毫米波功率大小。研制的毫米波检波电路采用微带电路制作，原理及电路如图9所示。主要由输入匹配电路、检波二极管和低通滤波器组成，整个电路制作在一块基板上，采用反向检波设计，检波二极管反接。原理图中Lp为检波器的低频通路，检波二极管选用低势垒肖特基检波二极管，这种检波二极管工作时无需外加偏置电压，灵敏度高，并且频率响应快、动态范围大、宽频带，得到广泛应用。

2.3 放大电路

低频放大器对检波器输出信号进行放大，其增益可根据接收机输入噪声温度变化和总体要求系统输出信号幅度变化范围来确定。当天线接收到的毫米波噪声温度变化时，放大器输出信号变化为

ΔV=CdkBGGLFΔTA′

(5)

考虑天线效率及输入电路损耗引起的衰减，假设天线输出噪声温度变化量ΔTA′=0～80K。若系统输出信号变化幅度ΔV为0～5V，取检波器电压灵敏度Cd=500V/W，则由式(5)得系统所需的放大器增益为GLF=2.56×104。

在实际系统调试时，由于每个样机的毫米波前端特性参数都有所不同，根据实际情况对放大器增益作适当调整，使得输出信号幅度满足总体要求。

积分器对信号中噪声进行滤波抑制，这里采用RC滤波器作为积分器，并且集成在放大器电路中。

考虑系统其它损耗及各样机系统增益不一致性等问题，采用3级运算放大器级联以达到系统所需增益，电路结构如图10所示。检波器输出信号经电容滤波后输入到放大器，第一级和第二级运放放大一定倍数，第三级运放根据系统测试结果选择合适放大倍数。积分器集成在第一级运放电路中，积分时间由R2、C2进行控制，由运放电路知识分析可知，积分时间为：

τ=2R2C2

(6)

若系统用于一维扫描探测，系统只需要探测物体毫米波辐射噪声温度的变化，则可根据需要在视频放大器电路中串入电容进行隔直，使辐射计输出表征探测到的毫米波噪声温度变化的交流信号。

2.4 毫米波段目标探测与识别

在毫米波波段，金属目标的辐射率都小于0.01，可以认为金属目标自身不辐射能量，仅反射天空及周围背景的辐射。为此，建立如图11所示数学模型，进行平面金属目标的辐射特性建模。辐射计是水平扫描的，则辐射计扫描所得目标信号如图12所示，是一个钟形脉冲。根据不同目标及不同的交会方式，钟形脉冲将有不同的幅度和宽度。对该脉冲进行信号处理，即可对目标进行识别。

毫米波探测器的信号处理系统拟以TMS320F2812为核心构建电路。TMS320F2812是美国TI公司推出的一款基于Flash的32位定点DSP，具有运算速度快、精度高、编程灵活、功耗低、外设资源丰富、集成度高、体积小、外围电路简单等特点，可以满足海面、舰面自主识别探测器的信号处理系统高速小型化的需要。

3 参数设计

3.1 天线波束宽度、角分辨率和空间分辨率

天线波束宽度为：

(7)

其中：λ——工作波长；

D——天线口径。

本项目中，天线波束为扇形，如图6所示。假设中心频率为35GHz，若天线长边为300mm，则对应方向波束宽度约为2°；设短边为一个单元，则对应方向波束宽度约为90°。中心频率为94GHz时，天线长边为112mm，则对应方向则对应方向波束宽度约为2°；设短边为一个单元，则对应方向波束宽度约为90°。

3.2 敏感器积分时间

波束驻留时间τd为波束即将接触目标的时刻到波束完全离开目标的时刻之差，如图13所示。

(8)

其中，a为波束扫描方向目标宽度，d为波束在目标平面上的投影宽度，v是波束扫描线速度(即导弹在目标平面上的飞行速度)。

按照最差情况(即波束驻留时间最短)进行计算，设导弹沿海面飞行，速度为4马赫(最快速度)，即V=1360m/s，导弹到目标的距离为100m，导弹高度为80m(最高情况)，则2°波束投影宽度约为6m。

假定舰面最小宽度为19m，根据式(8)，波束驻留时间为18ms。接收机(辐射计)积分时间：

τd≤0.5τd

(9)

因此积分时间可取9ms。

由于两个波束之间需要切换，需要考虑两个波束是平行放置还是前后放置。按照最差情况进行计算，设导弹沿海面飞行，速度为4马赫(最快速度)，即V=1360m/s，若积分时间为9ms，则出现一个完整的钟形脉冲约需27ms。此时按照最快飞行速度，导弹前行了接近37m，而舰面最小宽度为19m，若先扫描的波束没有照到目标，则有可能漏掉目标。因此两个波束平行放置不太可行，需一前一后放置，此时需要考虑两个波束之间的夹角。

若选择较短的积分时间，τ=3ms，则出现一个完整脉冲时导弹最多前行9m，不会漏掉目标。两个波束可以平行放置，设计相对简单。

3.3 敏感器灵敏度

接收机灵敏度为：

(10)

其中：TA——天线温度；

Tm——接收机噪声温度；

Fm——接收机噪声系数；

T0——环境温度；

B—接收机带宽。

利用公式(10)在T0=290K、B=3GHz、Frn=6dB下可得到不同积分时间下的灵敏度，如表1所示。

表1 不同积分时间下的灵敏度

积分时间灵敏度ΔTmin(K)τ=9ms0.22τ=3ms0.38

3.4 敏感器作用距离

距离公式

(11)

其中：η——天线效率；

AT——目标辐射面积；

ΔTT——目标背景辐射温度差；

ΩA——天线波束所张的立体角。

且有 ：

ΔTT=(εb-εt)·(T0-TS)

(12)

其中：εb,εt——分别为背景发射率和目标发射率；

Ts——天空辐射温度。

不同的交会情况，目标占据波束有效面积不同，假设最差的交会情况如图14所示。此时，两个波束都只有一部分照到目标，且此时目标最小(a=19m)。

根据敏感器在距离100m、高度80m处时目标处于波束中的面积约55m2，利用公式(11)、(12)可得，取η=0.6、SNR=10、ε水面=0.63、ε金属=0、TS晴天=80K、TS阴天=107K时在不同积分时间、不同天气条件下的系统作用距离，如表2所示。

表2 不同天气条件下辐射计作用距离

海面金属目标晴天阴天τ=9ms337.8m315.3mτ=3ms256.6m239.5m

通过以上的计算分析可知：在晴天、阴天等天气条件下，系统能满足在100m距离上识别海面上的舰船目标。

3.5 导弹及波束倾斜角度

导弹在末端按照一定弹道飞行，考虑到引信炸高为10～80m，导弹在距离100m处时，假设高度为20m时，若能照到目标，波束与海面夹角为11°；当高度为80m时，波束在距离100m处若能照到目标时，波束与海面夹角为39°。若波束与导弹轴线之间的夹角α为11°，则导弹飞行末端轴线与海面的夹角β的范围是0°～28°，如图15所示。

4 结束语

用于目标识别的毫米波被动探测体制在发达国家的军事领域应用的技术基础已经比较成熟，已经有不少型号装备部队，由于毫米波引信较微波具有更高的精度，更强的抗干扰能力以及比红外、主动引信具有较好的全天候作战性能，而得到了越来越多的应用，这些使用毫米波被动探测体制的武器系统均具有较高的命中率和打击效果。近年来,毫米波固态器件及单片集成电路的突破性进展大大地推动了毫米波精确寻的武器系统的研究。

[1] 张光锋，张祖荫，郭伟.3mm波段辐射成像研究[J].红外与毫米波学报，2005.

[2] 张祖荫，林士杰.微波辐射测量技术及应用[M].电子工业出版社.

[3] 陈曦，曹东任，吴礼等.金属球毫米波辐射特性建模与分析[J].光电工程，2013.

StudyonLTCCbased3mm/8mmBandRadiometerPassiveDetection

Li Youchi, Yang Baoping, Fang Jianfeng, Zhu Fengren, Zhu Chenxing

(The No.214 Research Institute of NORINCO group, Suzhou 215163)

Performance of millimeter-wave radiometer passive detection and other detection systems are compared. Basic theory of millimeter-wave radiometer passive detection is introduced, detection method of 3mm and 8mm bands radiation characteristics of metal targets on water surface is proposed. A direct demodulation millimeter-wave radiometer detection system for detecting sea-surface targets is designed, RF front-end, antenna and signal processing unit of the detection system are discussed in detail; a direct demodulation radiometer system which features small-size, light weight, and low power consumption is developed.

millimeter wave radiometer；direct demodulation；target detection；antenna

2017-06-12

李有池(1974-)，男，高级工程师。主要从事混合集成电路设计。

TN974

A

1008-8652(2017)03-011-08