1.本实用新型属于毫米波探测的技术领域，更具体地，涉及一种宽动态ka频段直接检波辐射计接收机。

　　2.辐射计接收被测物的微波辐射信号，并转化为电压信号输出，对探测目标进行亮温反演。一般由天线系统、接收机、数据处理系统等组成，其天线系统接收目标微弱的微波辐射信号，经由接收机处理，最终输出低频或直流电压，该直流电压与目标亮温成线性关系，接收机输出电压供数据处理系统进行处理。辐射计的工作原理主要是基于普朗克黑体辐射定律，其接收机对线性度和灵敏度指标有严格要求。

　　3.随着微波遥感技术的发展，需要用到微波探测的场景越来越多，对辐射计的探测亮温动态范围要求越来越高。现有技术中，高频辐射计接收机一般采用超外差结构，将接收信号通过下变频搬移至中频进行功率检波，可避免高频技术难点，同时能实现较好的性能。

　　4.但现有技术中的超外差式接收机的电路结构复杂、加工成本较高，需要本振模块进行混频，混频时会产生一些特殊干扰，比如镜像信号干扰、中频干扰等，而直接检波接收机存在探测亮温动态范围较小的问题。

　　5.针对相关技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种宽动态ka频段直接检波辐射计接收机，旨在解决现有的辐射计接收机的电路结构复杂、加工成本较高，需要本振模块进行混频，混频时会产生一些特殊干扰，亮温探测范围较小的问题。

　　6.为实现上述目的，本实用新型提供了一种宽动态ka频段直接检波辐射计接收机，包括：

　　8.数控衰减器，连接所述低噪声放大器，用于控制射频前端的增益，控制处理后的ka频段信号达到检波器的功率；

　　9.带通滤波器，连接所述数控衰减器，用于对衰减后的ka频段信号进行滤波；还用于控制接收机通道的噪声带宽及抑制带外干扰；

　　10.检波器，连接所述带通滤波器，用于对滤波后的信号进行检波，输出低频检波信号；

　　11.视频放大电路，连接所述检波器，用于对所述低频检波信号幅度进行放大；

　　12.积分电路，连接所述视频放大电路，用于对放大后的低频检波信号积分，变为稳定直流电压信号输出；

　　13.控制电路，接收外部控制器的控制信号，并对所述数控衰减器的衰减量进行调控。

　　14.可选的，所述外部控制器通过spi接口与所述控制电路连接，所述外部控制器发送6bit控制信号至所述控制电路，所述控制电路经过驱动电路输出对应的6路控制信号。

　　15.可选的，所述数控衰减器通过输入的6路控制信号电平控制多个开关管的导通和/或截止来改变衰减量，所述数控衰减器的衰减范围为0-31.5db。

　　17.可选的，所述带通滤波器的带宽为接收机的预设带宽，用于限定接收机的带宽。

　　19.可选的，所述检波器包括：3db分支电桥、两个rf匹配电路、两个检波二极管和低通滤波器；

　　20.所述3db分支电桥的第一端作为所述检波器的输入端，接收滤波后的信号；第二端串联负载电阻后接地；第三端和第四端分别连接第一rf匹配电路和第二rf匹配电路；

　　21.所述第一rf匹配电路和所述第二rf匹配电路分别连接第一检波二极管和第二检波二极管；

　　22.所述第一检波二极管和所述第二检波二极管共同连接所述低通滤波器的输入端；

　　23.所述低通滤波器的第一端连接所述第一检波二极管和所述第二检波二极管的输出端；第二端作为检波器的输出端，输出滤波后的低频检波信号。

　　24.可选的，所述3db分支电桥的四个端口满足匹配条件时，第一端输入的信号会均分到第三端和第四端，第二端没有信号；

　　25.所述3db分支电桥的任意端口都可作为输入端，同侧端为隔离端口，其中，第一端和第二端为同侧端，第三端和第四端为同侧端。

　　26.可选的，所述视频放大电路由两级运算放大器组成，所述积分电路为rc电路，采用变阻器改变rc电路的电阻值；所述视频放大电路用于实现30db增益。

　　28.总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

　　29.(1)在辐射计接收机内部增加数控衰减器，通过控制电路对数控衰减器的控制，可调节进入后级检波器的功率大小，便于调整检波器的工作点，使其工作在最佳的检波平方律区，实现接收机输入噪声功率与输出电压的最佳的线性度；同时增加衰减量可以实现更大亮温动态范围的探测。

　　30.(2)直接检波辐射计接收机，无需进行变频与混频，增强了稳定性，同时具有结构简单、成本低、体积小的优点。

　　31.(3)检波器采用平衡式检波设计，可以实现宽带的更优线性度，驻波比更低；积分电路中采用变阻器，可根据实际需求改变电阻值，动态调节积分时间，以达到更高的温度灵敏度。

　　32.图1是本实用新型实施例提供的一种宽动态ka频段直接检波辐射计接收机的结构示意图；

　　33.图2是本实用新型实施例提供的一种宽动态ka频段直接检波辐射计接收机中的数控衰减器控制示意图；

　　34.图3是本实用新型实施例提供的一种宽动态ka频段直接检波辐射计接收机中的检波器输出电压变化特性曲线是本实用新型实施例提供的一种宽动态ka频段直接检波辐射计接收机中的检波器模块的电路示意图；

　　36.图5是本实用新型实施例提供的一种3db电桥微带三枝节结构示意图。

　　37.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

　　41.数控衰减器2，连接低噪声放大器1，用于控制射频前端的增益，控制处理后的ka频段信号到检波器4的功率；

　　42.带通滤波器3，连接数控衰减器2，用于对衰减后的ka频段信号进行滤波；还用于控制接收机通道的噪声带宽及抑制带外干扰；

　　43.检波器4，连接带通滤波器3，用于对滤波后的信号进行检波，输出低频检波信号；

　　45.积分电路6，连接视频放大电路5，用于对放大后的低频检波信号积分，变为稳定直流电压信号输出；

　　46.控制电路7，接收外部控制器8的控制信号，并对数控衰减器2的衰减量进行调控。

　　47.本实施例的低噪声放大器1、数控衰减器2、带通滤波器3均工作在ka频段。天线系统与本实施例提供的ka频段直接检波辐射计接收机配套设置，天线系统接收得到ka频段信号。

　　48.接收机的工作中心频率f0定为35ghz，工作带宽b定为4ghz，具体工作频率范围为33～37ghz。

　　49.首先确定天线接收目标亮温输入到接收机的功率，计算公式为：p＝ktab，其中，玻尔兹曼常数k＝1.38

　　为天线为天线k；ta为相同物理温度下无损天线的等效温度。设被测物体的辐射亮温值为290k，通过计算得到p＝ktab＝-78dbm。

　　50.在高温场景中，例如火场环境中，目标辐射亮温动态范围扩大为30-800k，通过上述公式，在假设天线％时，输入到接收机的功率约为-88dbm至-74dbm。

　　51.通过上述的计算可知，天线接收目标亮温输入到接收机的功率值是非常微小的。要保证辐射计接收机的灵敏度，就要保证系统具有良好的噪声系数。考虑到接收机整体的稳定性，将噪声系数nf指标设定为小于3db。要保证接收机的线性度就要让检波器工作在平方律区，使检波器输出电压与输入功率成正比，即输出电压与探测亮温成正比。

　　52.天线采集的ka频段信号首先进入低噪声放大器1，对ka频段信号进行低噪声放大。其中，低噪声放大器1采用多级放大器级联，示例性的，低噪声放大器1采用三级低噪放芯片

　　级联，级联噪声系数公式为：可知，第一级低噪放的噪声系数较低会使整个接收机的噪声系数变低，其中nfn为第n级模块的噪声系数，g

　　为第n-1级模块的增益，在单级增益为20db、噪声系数为2db时，计算得到三级低噪放级联的噪声系数为2.016db，小于3db。

　　53.示例性的，射频前端低噪放芯片选择xl1000-bd芯片，该芯片工作频率范围为20～40ghz，增益约为20db，噪声系数约为2db，偏置电压为5v，1db压缩点为9dbm。在33～37ghz的频段内，单级芯片的增益在18db左右，噪声系数在2db左右，三级级联的总体增益大于55db,级联噪声系数为2.026db，小于3db。

　　54.ka频段信号输入功率的范围为：-88dbm至-74dbm，经过三级低噪声放大器放大后，达到-33dbm至-19dbm，相对于检波器的平方律区-45dbm至-23dbm，低亮温区间对应的输入功率落在平方律区，而高亮温区间对应的输入功率超出平方律区，可能进入线性区甚至达到饱和区，此时输出电压与输入功率不再是线性关系，影响通过接收机输出电压计算物体辐射亮温的准确性。因此，在辐射计接收机内部增加数控衰减器，通过控制电路对数控衰减器的控制，可调节进入后级检波器的功率大小，便于调整检波器的工作点，使其工作在最佳的检波平方律区，实现接收机输入噪声功率与输出电压的最佳线放大后的ka频段信号进入数控衰减器2，数控衰减器2对放大后的ka频段信号的增益进行调控。其中，数控衰减器2与控制电路7连接，控制电路7接收外部控制器8的控制信号，根据控制信号并对数控衰减器2的衰减量进行调控。射频前端放大模块采用低噪放与衰减器级联的方式，考虑到天线效率以及链路损耗等因素影响，将射频前端低噪放总增益g定为55db，衰减器的衰减范围定为15db，射频前端增益在40～55db范围内可控。

　　56.如图2所示，可选的，外部控制器8通过spi接口与控制电路7连接，外部控制器8发送6bit控制信号至控制电路7，控制电路7经过驱动电路输出对应的6路控制信号电平。

　　57.可选的，外部控制器8通过spi接口将控制信号发送给控制电路7，数控衰减器2通过输入的6路控制信号电平控制多个开关管的导通和/或截止来改变衰减量，数控衰减器2的衰减范围为0-31.5db。

　　58.其中，控制电路7采用51单片机，通过spi接口获取外部控制器8发送的6bit控制信号，经过驱动电路输出对应的6路控制信号为-5v或0v的电平信号，这6路控制信号电平作为数控衰减器的6路输入控制电平，以控制数控衰减器2中多个开关管的导通和截止，从而实现衰减量的改变。

　　59.示例性的，数控衰减器2采用的芯片为nc13100c-3240，通过6位输入控制信号电平来改变衰减量，数控衰减器2的衰减范围为0-31.5db，步进为0.5db，共计64个档位。驱动电路选用芯片vd78543，电源供电-5v，6路输入，6对互补输出，实际运用时选择同一组的6个端口作为输出即可。

　　60.带通滤波器3用于对衰减后的ka频段信号进行滤波，用来控制接收机工作的频率范围。其中，带通滤波器3的带宽为接收机的预设带宽，用于限定接收机的带宽。具体地，本实施例设计选用的带通滤波器3为腔体滤波器，它是一款利用高精度加工工艺实现的腔体滤波器，具有高性能、低温漂、高功率的特性，带宽为4ghz，带通频率范围为33ghz至37ghz。

　　62.辐射计接收机需对进入检波器4的噪声功率大小进行控制，通过控制电路7和数控衰减器2调整整体的增益指标，进一步地，带通滤波器3带宽为4ghz，当数控衰减器2不提供衰减量时工作在增益最大的情况时，链路总增益设计为85db左右，以确保进入检波器4的通道噪声功率为-30dbm左右，以使检波器4得到最佳的线性度，本实施例的辐射计接收机线v。因此，辐射计接收机的低噪放部分满足了高增益、低噪声和高稳定性的要求。

　　63.滤波后的信号进入检波器4，检波器4对ka频段噪声功率进行平方律检波，输出低频检波信号。

　　64.如图3所示，曲线ab为平方律区，检波器4输出电压与输入功率成正比；曲线输出电压与输入电压幅度成正比，与输入功率不成正比；曲线输出电压与输入功率不成正比。

　　65.检波器是利用二极管的非线性伏安特性把前级低噪放电路放大后的信号转变为低频或直流电压信号。毫米波检波器采用肖特基势垒二极管构成，通常载频越高所需要的最小输入功率越大，在30ghz以上使用低电平检波器的毫米波接收机，要求最低输入功率要达到-45dbm，本实施例中接收机选用的检波二极管的平方律区至线dbm，即检波器平方律区对应的输入功率范围在-45dbm至-23dbm。由于宽动态辐射亮温范围对应的输入功率范围在-88dbm至-74dbm，非常微小，同时也不在检波器的平方律区，不能直接进行检波，因此中间需要先经过低噪声放大电路对输入信号的功率进行放大，以达到合适的范围。

　　66.如图4所示，可选的，检波器4包括：3db分支电桥41、两个rf匹配电路、两个检波二极管(d1和d2)和低通滤波器42；

　　67.3db分支电桥41的第一端a作为检波器4的输入端，接收滤波后的信号；第二端b串联负载电阻r1后接地；第三端c和第四端d分别连接第一rf匹配电路rf1和第二rf匹配电路rf2；

　　68.第一rf匹配电路rf1和第二rf匹配电路rf2分别连接第一检波二极管d1和第二检波二极管d2；

　　69.第一检波二极管d1和第二检波二极管d2共同连接低通滤波器42的输入端；

　　70.低通滤波器42的第一端e连接第一检波二极管d1和第二检波二极管d2的输出端；第二端f作为检波器4的输出端，连接负载电阻rl后接地，输出滤波后的低频检波信号。

　　71.本实施例的检波器4采用两个检波二极管(d1和d2)来实现检波功能，相比较单管检波器4，其动态范围更大、驻波比更低，且不易烧毁，在毫米波领域被广泛使用。其中，3db分支电桥41的工作带宽需比检波器4工作带宽稍大。

　　72.检波二极管选择的是饱和电流低、无需外加偏置电压的肖特基检波二极管hsch-9161，该二极管温度系数低、工作频率可达110ghz。当输入功率小于-20dbm时，检波器工作在平方律区，检波器的驻波比均小于1.5，匹配性能较好。当输入端输入信号功率为-30dbm，输出电压为2.466mv。通过计算得到检波器的电压灵敏度βv约为2500mv/mw，其中v

　　73.如图4所示，可选的，3db分支电桥41的四个端口满足匹配条件时，第一端a输入的信号会均分到第三端c和第四端d，第二端b没有信号；

　　74.3db分支电桥41的任意端口都可作为输入端，同侧端为隔离端口，其中，第一端a和第二端b为同侧端，第三端c和第四端d为同侧端。

　　75.如图4所示，3db分支电桥41是3db四端口定向耦合器，包括一个输入端口、两个输出端口、一个隔离端口，两个输出端口之间存在90

　　的相位差。本实施例中，第一端a为输入端口，第三端c和第四端d为输出端口，第二端b为隔离端口。当四个端口满足匹配条件时，输入到第一端a的信号会均分到第三端c和第四端d，第二端b没有信号。当3db分支电桥为理想电桥时，若检波二极管d1与d2特性一致，则对于输入端口来说，d1与d2反射的电压大小相同、相位相反，相互抵消，输入端因此会得到更好的匹配。进一步的，3db分支电桥输出端口与检波二极管之间设置微带线进行阻抗匹配，使传输功率达到最大。

　　76.本实施例中，3db分支电桥采用多分支级联结构。由于经典分支电桥受到了λ/4长度的限制，带宽较窄，其中λ为中心频率所对应的波长，理论上，分支电桥的分支节数越多，其稳定性越强，频带带宽越宽，但随着级数增多，会导致枝节导纳不断减小，微带阻抗线的宽度不断变窄，pcb加工精度可能很难满足设计需求，设计时需要考虑实际情况。示例性的，本实施例中，分支匹配电路设计为微带三枝节结构，如图5所示，各个枝节的长度为λ/4，并将一三枝节的宽度设置为0.1mm，以分支电桥四个端口处特性阻抗为50ω匹配来计算，可以得到各分支微带线的阻抗以及对应的宽度，三枝节上下微带线mm，第二枝节宽度设置为0.46mm。在hfss中对33～37ghz频率范围内3db分支电桥的回波损耗s11进行了仿线db，回波损耗小，满足设计需求。

　　77.进一步的，为了保证检波器输出的信号得到高效利用，需要在二极管的输出后加一段射频回路来滤除基波与谐波分量。接收机的输入信号频率为33～37ghz，产生的二次谐波为66～74ghz，此频段以及更高次的谐波信号离有用信号频率差距很大，功率很小，所以滤波器的设计只需考虑能有效抑制33～37ghz的基波信号即可。滤波器选择结构紧凑、两节扇形的结构，将该结构在hfss仿真软件中进行建模，利用软件的优化功能进行参数优化，最终得到hfss仿线db以下，可以很好地抑制基波信号。

　　78.视频放大电路5与检波器4连接，经过检波器4检波输出后的低频信号幅度非常微小，需要将低频信号的幅度放大，便于采集系统采集。具体地，本实施例的视频放大电路5由两级运算放大器组成，视频放大电路5采用两级opa211功放来实现30db增益，可将毫伏级幅度放大至伏特级。为了使接收机视频放大电路5的增益可以调节，利用变阻器来代替固定阻值的电阻。

　　79.积分电路6连接视频放大电路5，积分电路6为rc电路，结构包括变阻器，可根据实际需求改变电阻值，动态调节积分时间。

　　80.接收机温度灵敏度的计算公式为其中ts为辐射计的等效噪声温度，包括接收机内部噪声温度的影响与天线等效噪声温度的影响；b为接收机工作带宽；bn为接收机检波之后的输出信号带宽；τ为积分时间；p由接收机通道决定，在全功率辐射计中，认定值为1；积分电路6可根据实际需求改变电阻值，动态调节积分时间，以达到更

　　81.进一步的，本实施例中，辐射计接收机信号输入接口为2.4mm同轴接口，电压输出接口、控制信号线以及供电接口集成到九芯头接口，型号为j30j-9zk，包含+5v、-5v、3.3v、gnd和spi的三根控制线(spi时钟线sck、数据线mosi和片选信号线cs)。辐射计接收机的尺寸为100mm

　　15mm。接收机整体增益范围为70db至85db，噪声系数小于3db。用高频信号源输入测试时各衰减量下线。接收机连接ka波段喇叭天线db时接收机电压灵敏度估算为2.96mv/k。

　　82.本实用新型的技术方案，通过采用直接检波辐射计接收机，对ka频段功率进行直接检波，无需进行变频与混频，增强了稳定性，同时具有结构简单、成本低、体积小的优点。在辐射计接收机内部增加数控衰减器，通过控制电路对数控衰减器的控制，可调节进入后级检波器的功率大小，便于调整检波器的工作点，使其工作在最佳检波平方律区，实现接收机输入功率与输出电压的最佳的线性度；同时增加衰减量可以实现更大亮温动态范围的探测。检波器采用平衡式检波设计，实现宽带的更优线性度，可探测的动态范围更大、驻波比更低，可动态调节积分时间，以达到更高的温度灵敏度。

　　83.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

　　1.数字信号处理 2.传感器技术及应用 3.机电一体化产品开发 4.机械工程测试技术 5.逆向工程技术研究