0 引言

    采用被動毫米波成像技術的設備具有全天候、全天時工作的優勢。毫米波能穿透衣物，在安防領域，通過毫米波被動成像技術，可以實現對隱匿武器的檢測^[1-4]。復相關器是毫米波被動成像系統^[5-6]的核心器件之一，復相關器的恰當設計是系統實現良好性能的重要保障，其實現方法分為模擬相關和數字相關兩種。采用數字相關器可以達到高頻譜分辨率，還可以方便地得到大范圍的時延，適合工作于通道數量多的系統。但是數字相關器在將模擬信號進行量化時具有量化誤差，因此，其靈敏度低于模擬復相關器。模擬復相關器靈敏度高，具有更寬的工作帶寬^[7-10]。本文介紹一種模擬復相關器，該復相關器可測量兩路信號的相關值，采用數字控制調節信號的增益與偏置，具有更強的靈活性和更好的一致性。

1 加法型模擬復相關器的設計方案

    本復相關器設計指標：工作頻率1.5 GHz～2.5 GHz，在1 GHz帶寬內輸出幅度變化不超過1.5 dB，相位反演誤差不超過5°。復相關器的結構如圖1所示。

    該復相關器采用一種加法型復相關器結構^[11-12]。復相關電路由功分器與90°混合耦合器組成的射頻移相網絡、檢波二極管、低通濾波器以及差分放大器組成。射頻移相網絡由3個90°混合耦合器、1個功分器組成。信號經過射頻移相網絡，分別得到含有實部相關信息和虛部相關信息的信號。檢波二極管對每一路射頻信號進行平方律檢波。低通濾波器濾除信號檢波后無用的高頻成分，只保留直流成分。最后，對直流信號進行放大，并對輸出信號進行AD采樣，采樣后將包含實部信息的兩路信號作差，包含虛部信息的兩路信號作差，得到實部與虛部的相關值。

    圖1中的兩路輸入信號的電壓可以表示為：

其中，G是放大器的增益，K是二極管檢波靈敏度。因為V_real是實相關結果，V_imag與實相關結果正交^[13]。因此該方案可以實現計算兩路信號復相關值的功能。

2 數字控制復相關器的增益與偏置方案設計

    在系統應用過程中，采取數字控制方案調整復相關器實部與虛部輸出信號的增益與偏置，該方案結構設計如圖2所示。

    放大器的增益與偏置分別由與其連接的數控電位器(digital potentiometer，digipot)的電阻值決定。選用的digipot芯片可以通過SPI通信協議接收MCU發送來的指令，從而改變接入電路的電阻值，也就改變了放大器的增益與偏置。硬件控制部分以MCU為核心， MCU將上位機發送來的指令進行處理，并發送給與指令地址對應的digipot芯片。

    數字控制方案軟件設計包括用戶界面主程序、MCU控制程序、串口通信程序、自動調節增益與偏置程序、手動調節增益與偏置程序、AD采集程序與數據存儲程序等。其整體程序流程如圖3所示。

3 數字控制復相關器的增益與偏置方案設計

3.1 復相關器的硬件實現

    考慮到系統集成，該模擬復相關器分為復相關模塊與數字控制模塊。復相關模塊包括射頻移相網絡、檢波電路與放大電路，數字控制模塊包括MCU及其外圍電路、串口通信電路與將輸出的單端信號轉換為差分信號的電路。

    該復相關器工作帶寬為1.5 GHz～2.5 GHz，應用于被動毫米波成像系統，設計時需要盡可能使體積減小，成本降低，同時滿足其在1 GHz帶寬內輸出幅度變化不超過1.5 dB，相位反演誤差不超過5°的設計要求。射頻移相網絡通過分立表貼器件實現，以減小電路板尺寸。電路板頂層與底層都放置器件，以最大限度地利用空間。

    檢波二極管芯片選用AVAGO的HSMS-285x系列，該芯片具有一致性較好的2個通道，且無偏置，檢波靈敏度高，因此是較理想的選擇。低通濾波器采用RC低通濾波器，截止頻率為1 MHz。為保證增益與偏置電壓調節精度，數控電位器選用Analog Devices的AD526x系列，該系列支持SPI、I²C通信該系列芯片將總阻值分為256個可調節檔位，最大容差為8%，保證了所需調節精度。最終實現的調節精度為：第一級放大器偏置步進量0.2 V，第二級放大器偏置步進量10 mV。

    系統應用中， 8個通道集成在一起，其增益與偏置由1個數控模塊進行控制，結構圖如圖4所示。

3.2 點頻測試

    為驗證復相關器的功能，并測試其在工作帶寬內的幅度變化與其等效相關帶寬，需要對其進行點頻測試，系統框圖如圖5所示。測試中，通過改變移相器的移相值，在IF端口得到兩路相位差在0°～360°變化的信號。

    在中心頻率2 GHz下模擬復相關器的輸出如圖6所示。在0°～360°內，實部輸出電壓值V_real、虛部輸出電壓值V_imag曲線符合余弦正弦函數規律，實部輸出信號與虛部輸出信號正交，實現了兩路信號的互相關運算功能。以(V_real，V_imag)為坐標，畫出測試數據所對應的點，這些點組合成一個復相關圓，測試點與復相關圓的擬合程度越高，復相關器的工作性能越接近于理想狀態。輸入功率為-16 dBm時復相關圓如圖7所示。圖中的點為實測數據，圖中的圓為各實測數據點通過最小二乘法得到的擬合圓^[14]。根據非線性回歸方程擬合優度計算公式^[15]計算出實測數據與復相關圓的擬合優度。擬合圓的圓心偏置及擬合度見表1。復相關器在1.5 GHz～2.5 GHz范圍內的輸出幅度變化如圖8所示。

    由圖表易得，輸出信號與相關圓的擬合度均在0.96以上，擬合度較好。圖7中不同頻率下的復相關圓的圓心有偏移，這是由射頻移相網絡與檢波二極管在不同頻率下的特性差異造成的。復相關器在2 GHz下相位反演誤差為1.615 9°。在1.5 GHz～2.5 GHz的工作帶寬內，復相關器的輸出幅度變化不超過1.5 dB，等效相關帶寬為0.905 4 GHz，滿足設計指標的要求。

3.3 寬帶測試

    為評估模擬復相關器在實際系統應用中的工作性能，對模擬復相關器進行寬帶噪聲信號測試。測試系統結構如圖9所示。改變可變衰減器的衰減值，輸入到復相關器的信號功率也隨之改變。本實驗在不同輸入功率下測試復相關器的工作性能。

    得到的相關圓測試結果如圖10所示。相關圓的圓心偏置與擬合度見表2。反演相位的均方根誤差如圖11所示。由圖表易得，復相關圓的圓心偏置均在0.1以下，擬合度均在0.96左右，擬合程度較好。反演相位的均方根誤差均在2.5°以內，符合系統5°以內的指標要求。

3.4 信噪比測試

    該復相關器應用于被動毫米波成像系統中，為探究不同輸入功率對復相關器輸出信號的信噪比影響，搭建系統進行實驗。測試系統框圖如圖12所示。

    由于系統成像應用情景下信號相關性很小，因此在測試過程中將噪聲源斷電，來滿足弱相關性的條件。矢量調制器控制兩路本振信號的相位差在0°～360°等步進變化，從而使中頻信號IF1與IF2的相位差在0°～360°改變。通過調整功率補償模塊的衰減值，改變輸入到復相關器的信號功率，以對比相關器在不同輸入功率下的信噪比。實驗測試了-13 dBm、-16 dBm、-19 dBm輸入功率下復相關器的信噪比。

    設第k個相位點處第i個數據為r_i，i=1，2，3，……，1 280；k=1，2，3，…，8，則可以計算該相位點所有數據的標準差：

    容易得出，比值結果R_k反映了噪信比大小，其值越小越好。為了更直接地顯示各功率下信噪比，將R_k轉換成信噪比，數據見表3。C1～C3是數控可調復相關器的編號。從表3易得出結論，同一種復相關器在功率較大時，信噪比也較高。

4 結論

    該加法型模擬復相關器通過1.5 GHz～2.5 GHz射頻移相網絡實現實部、虛部相關值的測量。數控增益與偏置方案的設計，使對輸出信號增益與偏置的控制便利且精確，增益步進量30 mV，第一級放大器偏置步進量0.2 V，第二級放大器偏置步進量10 mV。寬帶測試下相位反演精度在2.5°以內，在1 GHz工作帶寬內幅度變化不超過1.5 dB，等效相關噪聲帶寬達到0.905 GHz。且信噪比在檢波二極管工作范圍內，隨著輸入功率增大而增大。

    通過進一步優化射頻移相網絡的傳輸線，可以得到更精確的相位反演精度。為得到更高信噪比，在檢波二極管的工作范圍內，應盡可能提高輸入功率。

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作者信息：

辛  心，王  超，胡岸勇，苗俊剛

（北京航空航天大學 微波感知與安防應用北京市重點實驗室，北京100191）