专利名称：用于多功能雷达和通信的宽带发射机/接收机装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种宽带多功能发射机和接收机装置，优选地用于以VHF、UHF或在微波频带中进行发射和接收的宽带多功能发射机和接收机装置。这样的装置可以同时地并且在相同的频带中用作雷达、监视和通信系统。
背景技术：
以最简单的形式，现有技术的连续波CW雷达发射单频连续波。通过测量回波信号的多普勒频移，CW雷达可 以确定被检测物体的速度。通过在CW雷达中对连续波的线性调频(锯齿)，设置经调频的连续波FMCW雷达系统。Cff的调频具有还可以确定到被检测物体的距离的优点。从US 3，789，398已知这样的FMCW雷达系统。FMCW雷达主要通过以下事实而得到启发该事实是其将雷达传输信号的峰值平均功率比最小化。因此，其应用是作为低音雷达(whispering radar)用于阻挠雷达信号的检测。然而，FMCff雷达局限于所述雷达功能并且缺乏任何多功能的能力。此外，FMCff雷达在其雷达功能与环境信号之间表现出差的信号共处(cohabitation)。因此，需要有改进的发射机/接收机装置，从而消除上述缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于发射和接收电磁波的创造性的宽带发射机/接收机装置以及用于发射和接收宽带电磁波的方法，其中，在一定程度上避免了前面提到的问题。通过权利要求I的特征部分的特征实现该目的，其中，所述发射机/接收机装置包括连接至发射机的数字任意波形发生器AWG，并且其中所述波形发生器被配置成在给定带宽内生成任意波形。所述发射机/接收机装置还包括被配置成发射发射机信号并接收入射信号的天线装置、以及被配置成接收接收机信号的接收机。所述发射机/接收机装置还包括连接到所述天线装置、所述发射机和所述接收机的模拟隔离器。所述模拟隔离器适于将所述发射机信号从所述发射机路由到所述天线装置以及将所述入射信号从所述天线装置路由到所述接收机，并且将所述发射机信号与所述接收机信号隔离。所述接收机适于借助于至少所述隔离器、所述天线装置和所述发射机的至少一个数字模型来消除所述接收机信号中的任何残余的发射机信号。还通过权利要求17的特征部分实现所述目的，其中，所述方法包括步骤借助于连接至发射机的数字任意波形发生器AWG在给定带宽内生成任意波形；将发射机信号从所述发射机路由到天线装置并且将所述天线装置上的入射信号路由到接收机；以及借助于连接至所述天线装置、所述发射机和所述接收机的模拟隔离器将所述发射机信号与所述接收机信号隔离；借助于至少所述隔离器、所述天线装置和所述发射机的至少一个数字模型消除所述接收机信号中的任何残留的发射机信号。通过实施从属权利要求的特征中的一个或多个特征来实现另外的优点。
创造性的宽带发射机/接收机装置用作多功能雷达、监视和通信系统的核心。当例如在小型或中型无人驾驶空运交通工具UAV应用上需要紧凑型设备时，该系统由于其出色的泄露消除而是特别合适的。该创造性的发射机/接收机装置与脉冲雷达设备相比还有减小的重量和体积，并且其中利用CW雷达降低了发射机峰值功率。本发明意图将雷达功能与电磁信号接收和发射的其他用途结合。基本要求是所述雷达不是如普通雷达那样是脉冲的而是基于连续波形原理而工作，即如FMCW雷达那样。然而，与FMCW雷达相比，本发明的特有的想法是波形必须被允许是任意的并且例如波形被调制成用作通信信号，同时仍然满足其作为雷达传输信号的作用。在这方面，已知的FMCW雷达设计几乎没用。实际上，连续波雷达的主要挑战是实现发射与接收之间的隔离并且在本发明中实现发射与接收之间的隔尚的方法与FMCW雷达的实现发射与接收之间的隔尚的方法非常不同。
根据本发明的创造性的宽带发射机/接收机装置的多功能能力包括提供I.提供微波和/或低频合成孔径雷达SAR的雷达功能；2.信号环境的被动监视以确立正在进行的发射；3.将由发射机/接收机装置获取的雷达数据和/或被动监视数据以下行链路的方式传输的通信能力；4.不同的位置/物体之间(例如地面单元之间)的通信中继服务，用于扩展地面通信链路的范围。该构思中的宽带意味着系统覆盖至少倍频程量级的带宽，而中心频率是从VHF至最高在微波区域(即50MHz-5GHz)内的任何频率。下面，将描述创造性的发射机/接收机装置的关于雷达工作和信号共处的方面。还将描述发射机/接收机装置的关于被动监视和通信的方面，但不在技术细节的同一级别上。实际上，对于在雷达技术和RF通信领域中的技术人员而言，为了使任意波形包含经调制的通信和雷达数据下行链路信号的目的，如何采用任意波形的可能性是显而易见的。此夕卜，连续宽带信号接收的能力使得能够实现被动信号监视。最后，任意波形生成与连续操作的组合使得能够实现不同位置之间的多种通信中继服务，在这些不同位置中雷达模仿并且重复通信信道采用的特定调制。该创造性的发射机/接收机装置提供雷达功能与环境信号之间的改进水平的信号共处。改进是可能的，这在于雷达将不会引起对通信的强干扰以及雷达关于由通信信号引起的干扰将是鲁棒性的。共处的问题涉及下述方式I.缓解由雷达对这些其他服务引起的干扰，以及2.缓解这些服务对雷达工作的干扰。由于频率上向上到已确立的微波雷达频带的频谱扩散的竞争使用，共处问题往往对所有雷达频率都变得重要。然而，共处的问题对于大约IGHz以下的频率尤其关键。所有通信服务中的一大部分都位于这个频带中。工作在IGHz以下并且具有IOOMHz量级的带宽的SAR有穿透地面和植被的能力，并且因此探测普通传感器探测不到的物体和结构。存在下述明显的冲突通信与这种类型的雷达共用相同的频率。本发明的一个应用是减轻这种冲突。
考虑类型I的共处干扰缓解。如果给予雷达接收并立即转播入射信号的能力，则能够潜在地减少共处干扰。这在通信信道中将具有与多径效应相似的效应，其中，通信调制方案必须对于多径效应是显著鲁棒性的。诸如OFDM的现代数字调制技术是特别鲁棒性的。考虑类型2的共处干扰缓解。关于雷达对于环境信号干扰的鲁棒性，存在数种方案。通过在范围(或快时间)谱中产生与通信频带对应的陷波可以去除窄带干扰。对于宽带干扰，例如数字调制电视广播，该方法导致雷达数据和SAR图像质量极其大地退化。较好的抑制方案是使用消除或者二维陷波。当雷达信号适于入射信号(如所描述的)时，二维陷波方法可直接适用。这事实上是专利申请WO 2004/097451的实质，在该专利申请中雷达模仿模拟电视信号，以使得接收到的电视信号在SAR信号处理中将有几乎为零的多普勒(或“慢时间”)的带宽。因此可以对其进行二维陷波，即在范围和慢时间谱二者中进行陷波。作为类型2的干扰缓解的方法的消除非常适合于具有内置误差校正的经数字调制的信号。在雷达地面响应信号非常弱以致解码和误差校正将完全取回干扰信号的情况下 以及当雷达地面响应信号非常弱以致解码和误差校正将完全取回干扰信号时，可以应用消除。然后，所述干扰信号可以再次被编码、被减去并且从而在整个接收信号中被缓解。雷达响应信号与干扰信号相比较弱的情形是普遍经历的。它也是发射机信号适配于进入信号的方案的状况，因为这将转发雷达响应信号，该雷达响应信号必须不损害转发的干扰信号的解码。因此，适当的方案会适配发射机功率水平以使得雷达响应保持任何环境信号的希望避免引起干扰的一小部分。为了实现上述鲁棒性能力，根据本发明的雷达应该完全捕获干扰信号并无中断地转发这些干扰信号。因此，雷达应基于连续发射波形原理来工作，并且由于雷达需要具有转发任何入射信号的能力，因此雷达除了连续工作之外还必须有能够发射任意形状的波形的额外的能力。作为本发明的核心的这样的雷达将称作任意波形连续波AWCW雷达。应用的一个重要候选是作为UAV机载的紧凑的且多功能的传感器。本发明所特别考虑的UAV的小尺寸事实上是用于实现AWCW雷达的重要使能因素。雷达将以小范围工作，即以低的发射机功率工作。发射任意波的构思并不是新的。通常任意波形被用在感测伪随机噪声信号中，以固定形式从一个脉冲到另一个脉冲被转播。然而，本发明提出下述新构思波形可以在任何长度的时间内是完全非重复的并且事实上能够连续地拷贝入射信号，所述入射信号被转发并用作总体发射波形的一部分。此外，本发明提出了下述构思这种非重复的波形可以被连续地发射，而不会如普通脉冲雷达中那样为了接收而中断。任意波形由任意波形发生器适当地生成，该任意波形发生器使用数字信号处理技术来合成波形。显然，AWCW雷达装置除了其作为雷达的应用之外，还具有充当通信链路的能力，该能力是其在发射波形中连续拷贝入射信号的能力的直接结果。此外，因为发射波形是任意的，所以发射波形可以被调制以传送传感器数据信息并由此用于将这些数据向下链路传输。因为AWCW雷达以连续接收的方式工作，因此AWCW雷达也可以实现在设计AWCW雷达所针对的频带内执行信号监视的作用。这是并行完成的，而没有分时或者以其他方式分离雷达装置在不同应用之间的能力的任何需要。下面说明在雷达应用中创造性的发射机/接收机装置的理论。假定连续且任意的发射机信号是a(t)并且假定接收到的信号是r(t)。假定信号a(t)具有带宽B并且信号a(t)需要具有两个基本特性在某一预选的时间段T内，需要I.在具有长度T的任何时间间隔内，信号a(t)以相等的功率密度跨越带宽B。2.在所有时间t内a(t)与a(t+nT) ；n=l, 2，…之间的互相关一致是低的意义上，信号a(t)不重复其本身。可以在这些条件下通过下述相关性获得范围反射率f(R，t)的重建，其中t是雷达慢时间
权利要求
1.一种用于发射和接收电磁波的宽带发射机/接收机装置，其特征在于，所述发射机/接收机装置包括 连接至发射机(19 )的数字任意波形发生器AWG (I)，其中，所述波形发生器(I)被配置成在给定带宽内生成任意波形； 天线装置(5 )，被配置成发射发射机信号(SI)并且接收入射信号(S2 ); 接收机，被配置成接收接收机信号(S3)； 连接至所述天线装置(5)、所述发射机(19)和所述接收机的模拟隔离器(4)，其中，所述模拟隔离器(4)适于将所述发射机信号(SI)从所述发射机(19)路由至所述天线装置(5)以及将所述入射信号(S2)从所述天线装置(5)路由至所述接收机，并且将所述发射机信号(SI)与所述接收机信号(S3)隔离， 其中，所述接收机适于借助于至少所述隔离器(4)、所述天线装置(5)和所述发射机(19)的至少一个数字模型(6、7、17)来消除所述接收机信号(S3)中的任何残余的发射机信号。
2.根据权利要求I所述的宽带发射机/接收机装置，其特征在于，所述发射机/接收机装置还包括第一减法单元(10)，所述第一减法单元(10)被配置成从自所述隔离器(4)接收的所述接收机信号(S3)减去第一消除信号(S4)，从所述至少一个数字模型(6、7)接收的所述第一消除信号(S4)被配置成对应于所述波形对至少所述发射机(19)、所述隔离器(4)和所述天线装置(5)的预测的影响。
3.根据权利要求2所述的宽带发射机/接收机装置，其特征在于，所述发射机/接收机装置还包括第二减法单元(12)，所述第二减法单元(12)被配置成从自所述第一减法单元(10)的输出接收的信号减去第二消除信号(S5)，从所述至少一个数字模型(17)接收的所述第二消除信号(S5)被配置成对应于至少所述发射机(19)中生成的发射机噪声对至少所述隔离器(4)和所述天线装置(5)的预测的影响。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的宽带发射机/接收机装置，其特征在于，所述至少一个数字模型包括至少所述隔离器(4)和所述天线装置(5)的第一数字模型(7)以及所述发射机(19)的数字模型(6)，其中，所述第一消除信号(S4)对应于施加到所述发射机(19)的所述数字模型(6)且施加到所述第一数字模型(7)的所述AWG (I)的输出信号。
5.根据权利要求3或4中任一项所述的宽带发射机/接收机装置，其特征在于，所述至少一个数字模型包括至少所述隔离器(4)和所述天线装置(5)的第二数字模型(17)，其中，所述第二消除信号(S5)对应于施加到所述第二数字模型(17)的所述发射机噪声的数字化表不。
6.根据权利要求5所述的宽带发射机/接收机装置，其特征在于，所述发射机噪声的所述数字化表示被布置成由第三减法单元(15)生成，所述第三减法单元(15)耦合至所述发射机(19)并且耦合至所述发射机(19)的所述数字模型(6)。
7.根据权利要求6所述的宽带发射机/接收机装置，其特征在于，所述第一和第三减法单元(10、15)是模拟减法单元，所述第一数字模型(7)是至少所述隔离器(4)、所述天线装置(5)和所述第一模拟减法单元(10)的数字模型，并且所述第二数字模型(17)是至少所述隔离器(4 )、所述天线装置(5 )和所述第三模拟减法单元(15)的数字模型。
8.根据上述权利要求中任一项所述的宽带发射机/接收机装置，其特征在于，所述发射机(19)包括耦合至功率放大器(3)的第一数字-模拟转换器DAC (2)，其中，所述第一DAC (2)连接至所述AWG (1)，并且所述功率放大器(3)连接至所述隔离器(4)。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的宽带发射机/接收机装置，其特征在于， 所述第一减法单元(10)是经由第一衰减器(9)连接至所述隔离器(4)的输出并经由第二 DAC (8)连接至所述第一数字模型(7)的模拟减法单元(10)； 所述第二减法单元(12)是经由第一模拟-数字转换器ADC (11)连接至所述第一减法单元(10)的输出并连接至所述第二数字模型(17)的数字减法单元(12)，并且，所述第二数字模型(17)经由第二 ADC (16)连接至所述第二减法单元(15)，其中，所述第二减法单元(15)经由第二衰减器(14)耦合至所述功率放大器(3)，并且经由第三DAC(13)耦合至所述发射机(19)的所述数字模型(6)。
10.根据上述权利要求中任一项所述的宽带发射机/接收机装置，其特征在于，所述隔离器(4)包括功率分配器(31)、连接至所述天线装置(5)的右天线(42)的第一环行器(32)、连接至所述天线装置(5)的左天线(43)的第二环行器(36)、以及功率合成器(39)，其中，所述功率分配器(31)被配置成从所述发射机(19)接收发射机信号(SI)并且向所述第一环行器和第二环行器(32、36)进行馈送，所述第一环行器和第二环行器(32、36)被配置成将所述右天线和左天线(42、43)上的任何入射信号路由至所述功率合成器，其中，所述功率分配器(31)和功率合成器(39)被配置成当所述右天线和左天线(42、43)以同相的方式被馈送时，在所述功率合成器(39)的输出处提供对应于所述右天线入射信号与所述左天线入射信号之间的差的差信号；或者当所述右天线和所述左天线(42、43)以反相的方式被馈送时，在所述功率合成器(39)的所述输出处提供对应于所述右天线入射信号与所述左天线入射信号之和的和信号。
11.根据权利要求10所述的宽带发射机/接收机装置，其特征在于，所述隔离器(4)还包括 第一开关(35)，所述第一开关(35)被配置成对从所述功率分配器(31)接收的并馈送至所述右天线和所述左天线(42、43)之一的信号的极性进行切换，以使得所述右天线和所述左天线(42、43)能够以同相的方式和以反相的方式被馈送，以及 第二开关(40)，所述第二开关(40)将所述功率合成器(39)与所述隔离器(4)的所述输出连接，并且被配置成与所述第一开关(35)同时切换，以使得当所述右天线和所述左天线(42、43)以同相的方式被馈送时，将所述差信号路由至所述隔离器(4)的所述输出；以及当所述右天线和所述左天线(42、43)以反相的方式被馈送时，将所述和信号路由至所述隔离器(4)的所述输出。
12.根据权利要求11所述的宽带发射机/接收机装置，其特征在于，所述第一环行器(32)由通过输入端口(Pll)连接至所述功率分配器(31)的第一 90度混合器形成，所述第二环行器(36)由通过输入端口(Pll)连接至所述功率分配器(31)的第二 90度混合器形成， 其中，所述第一 90度混合器和所述第二 90度混合器(32、36)之一经由所述第一开关(35)连接至所述功率分配器(31)， 其中，所述右天线(42)包括第一天线元件和第二天线元件(34、33)，所述第一天线元件和所述第二天线元件(34、33)分别连接至所述第一 90度混合器(32)的耦合端口和发射端口(P12、P22)，其中，所述左天线(43)包括第三天线元件和第四天线元件(38、37)，所述第三天线元件和所述第四天线元件(38、37)分别连接至所述第二 90度混合器(36)的耦合端口和发射端口(P12、P22)， 其中，所述功率合成器(39 )由180度混合器形成，并且其中，所述180度混合器(39 )的第一输入端口(Pll)连接至所述第二 90度混合器(36)的隔离器端口(P21)，所述180度混合器(39)的第二输入端口(P21)连接至所述第一 90度混合器(32)的隔离器端口(P21)，并且所述180度混合器(39)的增量端口和求和端口(P12、P22)连接至所述第二开关(40)，并且 其中，所述第二开关(40)将所述增量端口和求和端口(P12、P22)与所述电阻性负载(41)和所述隔离器(4)的所述输出连接。
13.—种空运交通工具(44)，包括机身，所述机身关于所述交通工具的中心平面镜像对称，当从所述交通工具的后方观看时所述中心平面将所述交通工具分成右部和左部，其特征在于，所述空运交通工具(44)包括根据上述权利要求中任一项所述的宽带发射机/接收机装置，所述右天线(42 )被布置在所述交通工具(44 )的所述右部上，所述左天线(43 )被布置在所述交通工具(44)的所述左部上，并且以关于所述中心平面对称的方式布置所述右天线和所述左天线(42、43)。
14.一种特别适合于提供高分辨率微波SAR和低频SAR的任意波形连续波AWCW雷达系统，其特征在于，所述雷达系统包括根据权利要求I至12中任一项所述的宽带发射机/接收机装置，其中，所述第二减法单元(12)的输出连接至信号提取单元(18)以重建范围反射率。
15.一种用于同时接收任何入射RF通信信号并且转发所述信号的宽带RF通信单元，其特征在于，所述通信单元包括根据权利要求I至12中任一项所述的宽带发射机/接收机装置，其中，所述第二减法单元(12)的所述输出向所述数字任意波形发生器(I)进行馈送以基本上立即转发所述入射通信信号，所述第二减法单元(12)的所述输出被配置成与所述天线装置(5)上的入射通信信号对应。
16.一种组合的雷达、监视和通信系统，其特征在于，所述系统包括根据权利要求14所述的AWCW雷达系统和根据权利要求15所述的RF通信单元。
17.一种用于发射和接收宽带电磁波的方法，其特征在于，所述方法包括步骤 借助于连接至发射机(19)的数字任意波形发生器AWG (I)在给定的带宽内生成任意波形， 借助于连接至所述天线装置(5)、所述发射机(19)和所述接收机的模拟隔离器(4)，将发射机信号(SI)从所述发射机(19)路由至天线装置(5)以及将所述天线装置(5)上的入射信号(S2)路由至接收机，并且将所述发射机信号(SI)与所述接收机信号(S3)隔离， 借助于至少所述隔离器(4)、所述天线装置(5)和所述发射机(19)的至少一个数字模型(6、7、17 )来消除所述接收机信号(S3 )中的任何残余的发射机信号。
全文摘要
本发明的目的是提供一种用于发射和接收电磁波的创造性的宽带发射机／接收机装置，其中，所述发射机／接收机装置包括连接到发射机(19)的数字任意波形发生器AWG(1)。所述波形发生器(1)被配置成在给定的带宽内生成任意波形。所述发射机／接收机装置还包括被配置成发射发射机信号(S1)并接收入射信号(S2)的天线装置(5)、以及被配置成接收接收机信号(S3)的接收机。所述发射机／接收机装置还包括连接至所述天线装置(5)、所述发射机(19)和所述接收机的模拟隔离器(4)。所述模拟隔离器(4)适于将所述发射机信号(S1)从所述发射机(19)路由至所述天线装置(5)以及将所述入射信号(S2)从所述天线装置(5)路由至所述接收机，并将所述发射机信号(S1)与所述接收机信号(S3)隔离。所述接收机适于借助于至少所述隔离器(4)、所述天线装置(5)和所述发射机(19)的至少一个数字模型(6、7、17)来消除所述接收机信号(S3)中的任何残余的发射机信号。
文档编号G01S7/03GK102771055SQ201080064178
公开日2012年11月7日 申请日期2010年2月17日 优先权日2010年2月17日
发明者汉斯·赫尔斯滕 申请人:萨博公司