微波辐射计前端及其宽中频超外差模型与应用

【摘要】：微波辐射计是一种可以接收并检测物体发出的微弱电磁辐射的接收机。从20世纪60年代起,被广泛应用于天文研究、军事对抗、环境监测等领域,之后被研究者应用于公共安全筛查。本文系统介绍了微波辐射计的理论,并着重于用于成像的微波辐射计,对直接检波式的Ka波段辐射计进行了研制,对超外差式的宽中频辐射计进行了建模研究,主要工作如下:首先根据项目需求研制了两套不同中心频率的Ka波段窄带辐射计。本文详尽论述了设计过程:基于直接检波式辐射计体制系统分析了其组成器件的工作原理,并根据对指标的整体估计研制了两套带宽分别为3GHz和4GHz的Ka波段直接检波式全功率辐射计,其中包括两级级联的低噪声放大器的选型与设计,E面鳍线滤波器的设计,Ka波段检波器的设计;在尽可能使射频电路部分结构紧凑的基础上,进行了腔体设计和用于供电和放大积分的PCB电路设计。最终设计的两套辐射计腔体尺寸一致,均为110mm×19mm×19mm,在暂态时间0.5ms时温度灵敏度分别为0.41K和0.42K。其次,本文针对现有辐射计建模理论中宽中频超外差辐射计模型的空缺,通过数学方法推演建立了宽中频超外差式辐射计前端模型,包括等效带宽模型以及级联噪声系数模型。这种前端模型可以在已知超外差式辐射计系统各组成器件性能的基础上计算辐射计的温度灵敏度,而且该温度灵敏度全面考虑了各器件内部增益起伏和噪声起伏对温度灵敏度带来的影响。建立模型之后,本文根据一个340GHz分谐波混频器的仿真参数,以及本文已设计完成的中频器件的参数,计算了一个340GHz宽中频超外差式辐射计前端的温度灵敏度。计算结果表明,积分时间为20ms时该超外差式辐射计灵敏度理论值可达0.25K。已设计的部分中频器件,运放积分电路以及已有的检波器也可单独组成微波辐射计,本文由此搭建了一个利用匹配负载定标的宽带辐射计,并测量了其温度灵敏度,测试结果表明暂态时间为1ms时,该宽带辐射计温度灵敏度可达0.13K。