双栅场效应管混频器在相位法激光测距中的应用
第 4+ 卷第 / 期 ’$$3 年 g 月 红外与激光工程
InfraredandLaserEngineering A;W4+ AW C=W $$3 h/1.’
双栅场效应管混频器在相位法激光测距中的应用
张加良 曾晓东 安毓英 !!
! 西安电子科技大学 技术物理学院! 陕西 西安 "#$$"%&
摘要" 相位法激光测距机采用混频移相测相的方法来测量本地发射信号与接收的回波 号之信间 的相位差! 通过相位差计算测量距离# 由这个原理可知! 当对测量精度要求较高时 ! 对高频下的混频器 的两路输入信号隔离度的要求也提高了 # 采用双栅场效应管作为相位法激光测距机的混频!器 能达到 很好的混频效果! 可有效地克服由于混频器隔 离度不够高造成的混频干扰! 为高精度的距 离测量提供 了必要条件# 试验验证了电压隔离度在’ " ()*+,, 倍& 以上! 适合做高精度相位法测距机的混频器#
混频器$ 隔离度$ 相位法激光测距机$ 关键词" 双栅场效应管$ 精度
中图分类号"0 -.’/文献标识码 文章编号#23*3&2+424 "1",,"’’"’,,,/,/,
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该电路的组成特点为! 本振信号接在靠近漏 级 的 ?# "!@ 由 相 位 法 激 光 测 距 原 理 可 知 & 要 提 高 测 量 精 % 上& 主振信号 $ 或回波光信号 $ 接在靠近 源 栅极 % &( &% 度& 需要把发射信号的频率提高到几十甚至 几百兆赫 极的栅极 %上& 本振口和主振口分 别 与 自 己 的 源 阻 # 兹% 常用的高频混频器& 如二极管 ’ 三极 管’ 单栅场效 抗匹配% 双栅场效应管的
工作原理
数字放映机工作原理变压器基本工作原理叉车的结构和工作原理袋收尘器工作原理主动脉球囊反搏护理
与 单栅管不同& 为 应管’ 模拟乘法器’ 二极管环形平 衡混频器等& 在高频 了 便 于 说 明 & 将 双 栅 管 画 为 两 个 )GH 管 % 如 图 ! 所 ?A &"@ 时 由 于 其 两 输 入 混 频 信 号 间 的 隔 离 度 不 够 & 会 出
本 振 信 号 通 过 它 从 源 极示 & )GH% 作 为 跟 随 器 工 作 & 现两个混频器间信 号串扰的情况# 如图 # 所示 & 两个
混 频 器 共 用 一 个 本 地 振 荡 器 & 即 共 用 一 个 输 入 信 号 输出& 控制 )GH# 的漏极电 平 && 而 且 在 本 振 信 号 的 BF#
整 个 周 期 内 通 过 加 直 流 偏 置 使 此 电 平 足 够 低 & 以 使 $& 如果混频器的两输入端口隔离度不够& 混频器 # 的 (
GH# 管工作在可变电阻区% )输 入 信 号 $的 部 分 量 $! 就 可 能 随 本 振 信 号 串 扰 入 &# &#
混 频 器 % 由 于 混 频 器 % 的 回 波 信 号 幅 度 很 小 & 所 以 "
其混频后的带通滤波的增益会很大& 通常 电压放大倍
数会到几百甚至上千# 这样& 非常小的干扰信号$ ! 也 &#
会混频产生很大的差频测 距 信 号 $& 使 混 频 器 % 的 混 &
频结果不理想& 出现没有回 波 信 号 时 的 伪 信 号 $# 在 &
有回波信号时& 信号 $的噪声很大& 出现相位乱动 波 ’&
形 不 稳 的 情 况 & 严 重 影 响 测 相 和 测 量 的 精 度 & 甚 至 使 图 ! 双 栅 场 效 应 管 混 频 器 分 析 图 测 距 工 作 无 法 进 行 " 而 且 随 着 测 量 距 离 的 增 加 & 回 波 )*+,! I/6(;&*& &052769*0 34 =86(#+692 DEF)GH 7*<2. 信号会减小& 带通滤波增益会提高& 串扰更严重#
为了克服串扰问题& 文中采用高频隔离度 很 高 的 GH# 管的伏安特性为 )!双栅场效应管作为激光测距机的混频器& 解决 了激光 % # ()&&&’)&’$$J!K ! "CF# CF ( 95 ) BF# BF# B# ( 测距中的高频串扰问题& 使高精度的 激光测距得以实 % 现# 式中是一个与场效应管类型和结构尺寸相关 的参!$ (
数% 当 &很小时& 公式(!) 可简化为! BF#
’$$(&’&)&JAL ( ) B# ( CF# CF 95 BF#
式 中 !’ 为 )GH# 的 漏 极 电 流 与 它 的 栅 源 极 电 压 & B# CF#
第 ! 期 " 张 加 良 等 双 栅 场 效 应 管 混 频 器 在 相 位 法 激 光 测 距 中 的 应 用++ ;
0 (&&&7<7+A/<+CD1 /#%#;7#%7 ’ 成线性关系! 此时 "#$% 的跨导 !为" - %
)极( 发射信号& % !" %’*+, & $#!"%% )%’ !# 0 )% ((&&&4/A7<+CD1 /#%#;7<7%#%7 ’*$7 1%
它 受 # 的 控 制 # 而 # 随 本 振 信 号 &而 变 化 $ 为 方 - ’)% ’)% 设 $ &%EF $&$&%EF $ 则混 频 器 % 和 / 的 输 出 信 号 7
便 起 见 $ 设 跟 随 器 ".$/ 的 增 益 为 % $ 则 # !&$ 因 此 - ’)% =GH和 =GH经滤波后的输出波形如图; 所示’ % /"$% 的跨导是一个时变跨导" . =GH%=GH / *0, !&"&%- % 它 的 变 化 频 率 就 是 本 振 信 号 的 频 率 #$ 当 ".$% 的 栅 - @ E 极 输 入 信 号 & % 或 && 时 $ 根 据 跨 导 定 义 $".$% 的 输 # 1% 1/ 出电流与 &% 或 && 电压之间的关系可表示为 "1% 1 /
%&%& "&!’ #&!’ &&"#&&"&&*2, %% % % % % 1% % 1% - 1%())’’’E1 或"
有 回 波 信 号 时 的 混 频 滤 波 后 的 输 出 信 号图 ;%&%&*3, "&’ #&’ &&#&&&&!!""%% % % % % 1 % 1 - 1()/)//’’
IJ< =GHKGH1 DL IMNO1 PQNR HQNON I1 ONHGORIRJ 1IJRS- ";6"中包含了%#4#& 的频率成分$ 实现了混频’ 混频电 1- % ’
当去掉回波信号时时即 混频滤波后得到$ &&7 $ 流 " 通 过 ".$/ 达 到 中 频 输 出 端 $ 因 此 可 将 上 面 的 1/ ’%
的波形如图 + 所示$ 可以看出$ 在没有回波信号后$ 混 且 直 流".$/ 看作 是一个对中频电流的共 栅 放 大 器 $
是混频器频器 / 滤波输出幅度很小的% 7 T9: 信号$ 始终处于饱和偏置保证 ".$/ 栅极本振信号变化时$
% 的 输 入 信 号 串 扰 到 混 频 器 / 的 输 入 信 号 后 混 频 产 区$ 具有一定的增益 !
生 的 输 出 信 号 $ 但 与 图 比 较 可 知 $ 这 个 幅 度 是 在 有 ;
回 波 信 号 时 幅 度 的 7<77/ 倍 $ 相 当 于 混 频 器 的 两 输 入 ! 实验结果及分析 信号间隔离度在/ U VW*+77倍 , 以上? 对后 续 的 数 字 测
相影响很小$ 对高精度的激光测距是十分有益的’ 实验中$ 要求激光测距机的精度达到5 66 $ 即当
调 制 频 率 为 7 时 能 满 足 要 求 因 此 本 实 验 用 !89: !
;7 89: 的 晶 振 作 为 主 振 $ 用 晶 振 与 锁 相 环 产 生 的 =GH% !7<7% 89: 的信号作为本振! 主振作为激光器的调制 频 率 $ 双 栅 8=)".$ 用 5)>/5;? 设 置 直 流 偏 置 $ 使 双 @ E # 栅场效应管工作在最佳状态$ 即栅极 偏置在" @ (/% $ 栅极 偏置在 7<7+ @ $ 主 振信号和回波信号幅度)/ 为 7<+ @ $ 本 振 信 号 幅 度 为 @ $ 则 加 在 两 个 混 频 器 各 极 / ’E1 的 信 号 为 ( 设 本 振 信 号 的 初 始 相 位 为 7 $ 发 射 光 信 号 =GH /的初始相位为 $& " 7 混频器 /@ E # )极( 本振信号& /
0 (&&&7<7+A
检测
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出来% 采用方法二
时 # 由 于 对 图 像 多 次 平 滑 # 所 以 整 幅 图 像 的 高 频 成 分 ! 李 斌 X 彭 嘉 雄 5 红 外 小 目 标 图 像 的 几乎完全被滤去 # 再用整幅图像减剩下 的低频成分# 分 割 与 聚 类 分 析 5 " # PYY Y& 便 可 获 得 高 频 成 分 % 由 于 舰 船 小 目 标 较 其 附 近 亮 度 YPOY5 **‘
高 # 故 $%&’( 熵 法 分 割 高 频 图 像 成 分 时 # 便 容 易 地 将 )a+ 0 Q34 ! 93X0 03 ! @34X0 V34 ! D 5U9=9B=438 ?S -J./7,-./’R./’ 小目标检测出来了% <7%@@ 34S(%(9C 7?K348 ?T29B= T%<9C ?4 CD4%73B &(?8(%77348
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周 治 伟 孙 晓 泉 樊 祥激 光 测 距 干 扰 与e # # 5 ! 结束语
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双 栅 场 效 应 管 作 为 相 位 法 激 光 测 距 的 混 频 器 # 其 )+ 6 348X 0 93X0 3%4!S948X 9= %@5 H9 C9<384 ?S =9 ![//R./RR:/[II高 频 特 性 好 $ 工 作 稳 定 $ 抗 交 叉 调 制 性 能 好 $ 噪 声 低 B3(B’3 =
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