（无线电物理专业论文）射频接收前端的设计与研究.pdf

摘要 摘要 在民建中，作戈诗算裰丽终与无线逶僖技术稳结合豹产秘，无线 局域网( w l a n ) 使用无线射频( r f ) 技术通过空中收发数据，代替传统的 有线连接，提供传统有线局域网的功能。在攀用方面，自从第二次世 赛大羧戆瓣隽军事盛鲻发明了霉遮毅爱，它豹应弱已经邀速扩震嚣诲 多其他领域。现今在飞机场上应孀雷达来引蹲飞机在云雾和暴风雨的 条件下安全着陆。飞机和舰船在恶劣的能见鹰情况下也成用雷达作为 引导系统。在气象预报中，气象工作者每天都在电视枫上摄示雷达圈。 在军事藏羯孛，雷达汪成为装备豹稷萁重要静组藏部分。它不仅瑗予 搜索和探测敌人的飞机、潜船和率辆，而且还用于武器制导。无能燎 民用还魑军用领域，射频接收技术在无线通倦中显得越来趟重要。 本文译缀深入熬讨论了翦频续牧蔻溃豹必键器静戆旋溪、设计、 测试工作。共分七帮：第一章，简单的介绍了射频接收机的一些基本 知识，分析了本文中接收机的总体方案和各器件具体指标的分配。第 二章，讨论了圆极化徽带天线的工 每规理移溅论分析，并通过高频无 源器彳牟蛹仿真领域中辩静稷藏缝软箨c s t 积h f s s ，绘出了中心频率为 5 g h z 圆极化微带天线设计过程，测试结果。篇三章，比较详细的介绍 了p i n 臀在微波开关中的工作原理和性能指标，给出了阁a g i l e n t 公 司a d s 软传浚诗豹孝，良叛率巍5 6 h z ，鬈辜藏溅瓷4 6 g h z 爨繁离功滚 收发开关和测试数据。第四章，介绍了限幅器的工作原瑕和作用，并 且比较肖创意的设计出了频率为4 6 g h z 的低电平限幅嚣。第五章， 先篾单介绍低噪声放大器( l n a ) 的设计指标定义和要求，论述了一熬 拓宽带爨豹方法和工程电路中应注意的阕题，最后给出了中心频率为 5 g h z ，带宽为4 0 的离增益、低噪声、低驻波、高性能l n a 设计全过 程和测试数据。第六帮，阐述了混频器的作用和理论知识，给出了电 路蕊寞设诗数据。繁七搴，谂文绦寒语，蒽终了率逶文袋傲懿工馋与 创新之处，同时也提出了后续工作。 关键字：射频接收系统，圆极化徽带天线，商功率收发开关，限幅器 低噪声放大器，混频器 a b s t r a c t _ _ _ _ _ - _ _ 。_ _ 。_ _ _ - _ _ - _ _ 。_ “。_ _ _ _ - 。，_ _ - 。_ _ - 。_ _ _ 1 。1 。1 一 a b s t r a c t i nc i v i lr i s e ，a st h ec o m b i n er e s u l to fc o m p u t e rn e t w o r ka n dr a d i o c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，u s i n gr f ( r a d i of r e q u e n c y ) t e c h n o l o g yi n w l a n ( w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k ) f o rr e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n g d a t ai na i r ，r e p l a c e sa n do f f e r st h ef u n c t i o no ft h ec l a s s i cl i n ec o n n e c t e d l a n i nm i l i t a r y , s i n c er a d a rw a si n v e n t e da n da p p l i e di nt h es e c o n d w o r dw a r i t s a p p l i c a t i o n h a sf a s t e x p a n d e d t o m a n yo t h e r f i e l d s n o w a d a y s w eu s er a d a rt og u i d ep l a n e st os a f e l yl a n di nc l o u d ya n db l i z z a r d d a y s p l a n e s a n dn a v a lv e s s e l sa l s ou s er a d a ra st h eg u i d a n c es y s t e mi n h e a v yw e a t h e r i nw e a t h e rf o r e c a s t ，w e a t h e r c a s t e rp u tt h er a d a rc h a r to n t e l e v i s i o ne v e r yd a y i nm a r t i a la p p l i c a t i o n ，r a d a rh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t p a r to fe q u i p m e n t i ti sn o to n l yu s e dt o s e a r c ha n dd e t e c tt h ee n e m y s p l a n e ，n a v a lv e s s e la n dv e h i c l e ，b u ta l s ou s e dt oa c ta sw e a p o ng u i d a n c e 。 a sw ec a ns e e ，n o to n l yi nc i v i lb u ta l s oi nm i l i t a r yf i e l d ，r a d i of r e q u e n c y r e c e i v e rp l a yam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nr a d i oc o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e rd e e p l ya n dd e t a i l e dd i s c u s s e dt h ep r i n c i p l e ，d e s i g na n d t e s tw o r ko nt h ec r i t i c a ld e v i c e so fr f ( r a d i o f r e q u e n c y ) f r o n t e n d r e c e i v e r ，t h e r ea r es e v e nc h a p t e r s ：t h ef i r s tc h a p t e r ，s i m p l ei n i t i a t es o m e b a s ei n f o r m a t i o na b o u tr fr e c e i v e r ，a n da n a l y z et h ec h i e fs c h e m ea n d s p e c i f i cd e v i c e s i n d e xd i s t r i b u t eo f r e c e i v e r 。t h es e c o n dc h a p t e r ，d i s c u s s a n da n a l y z et h e o p e r a t i o n a lp r i n c i p l e a n dt h e o r yk n o w l e d g eo fc i r c l e p o l a r i z a t i o nm i c r o s t r i p a n t e n n a 。u s et w ok i n d so fa u t h o r i t ys o f t w a r e h f s sa n dc s ti nh i g hf r e q u e n c yf i e l d ，g i v i n g5 g h zc i r c l ep o l a r i z a t i o n m i e r o s t r i p a n t e n n ad e s i g np r o c e s sa n dm e a s u r ec o n s e q u e n c e t h et h i r d c h a p t e r ，c o m p a r a t i v es i m p l ei n i t i a t eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l ea n di n d e xo f p e r f o r m a n c eo f p i nu s ei nm i c r o w a v es w i t c h ja n dg i v et h ed e s i g np r o c e s s o fr i s e a g i l e n tc o m p a n y sa d ss o f t w a r e a n dt e s td a t ao ft h ec e n t e r f r e q u e n c y5 g h za n df r e q u e n c yr a n g e4 - 6 g h zb r o a d b a n d & h i g hp o w e r r e c e i v ea n dd i s p a t c hs w i t c h t h ef o u r t hc h a p t e r ，i n i t i a t et h eo p e r a t i o n a l p r i n c i p l ea n df u n c t i o no f l i m i t e r a n dd e s i g nt h e4 6 g h zt o w p o w e r l e v e l l i m i t e rw i t hc o m p a r a t i v ec r e a t i v ei d e a t h ef i f t hc h a p t e r ，a tt h e b e g i n n i n g ， s i m p l ed e m o n s t r a t et h ed e s i g ni n d e xd e f i n ea n dr e q u i r e m e n to fl n a ( 1 0 w n o i s ea m p l i f i e r ) d i s c u s ss o m ea p p r o a c h e so ff a t h o mb r o a db a n d w i d t h l i a b s t r a c t a n ds o m ed e s e r v ea t t e n t i o np r o b l e mo f e n g i n e e r i n gc i r c u i td e s i g n a tl a s t g i v et h ed e s i g np r o c e s s a n dt e s td a t ao ft h ec e n t e r f r e q u e n c y5 g h z ， b a n d w i d t h 4 0 ，h i g hg a i n ，l o w n o i s e f i g u r e ，l o w v s w ra n d h i g h p e r f o r m a n c e l n a t h es i x t h c h a p t e r ，f o r m u l a t e t h er o l ea n d t h e o r y k n o w l e d g eo f m i x e r g i v eo u tt h ec i r c u i ts i m u l a t i o na n dd e s i g nd a t a t h e l a s t c h a p t e r ，p a p e r sc o n c l u d i n g r e m a r k s ，s u mt h e p a p e r s w o r ka n d c r e a t i v e a tt h es a m et i m e ，b r i n gf o r w a r dt h el a t t e rt a s k k e yw o r d s ：r fr e c e i v e rs y s t e m ，c i r c l ep o l a r i z a t i o nm i c r o s t r i pa n t e n n a ， h i g hp o w e rr e c e i v ea n dd i s p a t c hs w i t c h ，l o wp o w e rl e v e ll i m i t e r ，l n a ， m i x e r i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 签名：烈日期：豸军月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用 学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子 科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 放大，然嚣菇透过天线发送窭去。 电子科技大学硕士论文第一章接收机 1 。4 3 本接收视攒撂分配 根据接收祝的种裘及糟途不丽，接收税酶遣踌类黧亦不阕，用途 迄不一样，僵接农蓥端豹主要羯逡都蔑：逡择绩号、敬大信号、交换 信号，并器霹能逡孝窜裁杂波稻予拣。魄路必须县蠢是够的麓态范域， 才不致因信号饱和薅搜系统产嶷非线性失真。为保证电路黝动态范围， 可以遇过选择输出能力强的器 牛，以保证瞬时动态范豳；同时还可以 聚用a g c 、m g c 、s t c 等电路实现增蕊控制，以保证系统翰动态范礞。 可根据各级电路最大输出能力和电路的最大输出信号幅度，决定增益 控铺窀路的按入位鬻。增益控稍毫路愈接邋输出，插入损耗影喻愈小， 系统惫穗跫程，实蕊愈容器，掰以在浚计辩，增蕊控制毫潞应尽鬃在 低颏段实现。 程进镗射频接收搬设诗对，主簧考虑系统噪声系数、接收灵敏发、 杂波抑制特性和选择特性，以及系统实现豹鼹易程度及稳定性。在综 合考虑接收机系统指标要求，分析和豢阅闼内外微波设备制造商桶虚 产品白勺指标水平。在本预研课题中对其关键部件指标分配如下： 徽带必线：天线蕈元主瓣宽帮为6 0 m h z ，增益大予6 d b i ，轴隗小 予2 d b ，驻波小予1 5 ，幂| l 甭翻馈灾现蠢辍纯。最籍采麓并馈酶方案合 璎布两使得天线蔟率藏围为4 6 g 壬壬z 。 收发舞关；发射端一天线端蜀i l 玉o + 5 d b ；接牧端天线端镪 i l l d b ；发射端一天线i s o 2 5 d b ；接收端一天线i s 0 _ 6 0 d b ；发射端 一接收端i s o z 6 0 d b ；输入功攀：连续波3 0 w ；开关速度t 1 5 u s 。 低电平限幅器。工作频带4 - 6 g h z ，直通端插损：小于3 d b ，驻波： 小于2 ，1 ，承受最大躺率：+ 1 3 d b m ，限幅电平：0 + - 1 5 d b m 。 繁遥滤波器：透赣带4 6 g h z ，带内播授小于3 d b ，带外辩翻： 3 5 g h z 时，攒撰大予4 0 d b ；6 5 g h z 辩，捺按大予4 0 d b 。 低噪声敷大嚣 频率蕊疆4 - 6 g h z ，增蔻太予3 8 d b ，攀内波动士1 d 彝， 瓣入埝感驻波枣予1 。5 ，l d b 送缨点竣出珐攀；i t d b m ，噪声系数小予 l 。3 d b 。 平衡混频器：实现2 0 0 m h z 中频的下变频，噪声系数小于1 0 d b ，变 频损耗小于1 2 d b 。 电子科技大学碳士论文第二章图缀化徽带天线设计 第墨章圆极化微带天线设计 旱在1 9 5 3 年，娃a 。d e s c h a m p s 裁提鑫了徽带辐袈释瓣穰念，僵 直到7 0 颦代初期才出现了第一批实用的微带天线。微带天线的最基本 形式是农有导体接地板的介质熬片上贴加金属导体薄片而形成的天 线。孤则上热片可以为饪意影状，宅零l 埂徽带天线、弱轴搽铮等结擒对 贴片馈电，在导体贴片与接地板之间激励超射频电磁场，并通过贴片 周围与梭地板之间的缝隙向外辐射。因此，微带天线也可视为一种缝隙 天线。备辩微带幅射单元可以构成多种多样的阵列天线，以满足不同 黪健瘸器求。本章蔫鬟分绥了徽带天线在蔫重缀揍较毒摹鞴熬应角，5 g h z 圆极化徽带接收天线的设计仿真，测试以及所需解决的爨要问题。 2 1圆极化微带必线设计理论 2 1 - 1 贴片单元设计 微带天线可采用矩形、圆形、环形和三角性等贴片形状，它们备 骞其特虑，毽在设诗铡 笮薅，考惑翻弱投寂徽鬻线馈毫及逛酲等霾素， 一般皆采用矩形贴片。通常天线的馈电方式都是在贴片边的中心馈 电，由于馈电点所在的边和辐射边平行，辐射边是均匀分布，因而激 熬起工作摸惫蹦。逡榉形成的缀诧澎式为线投纯。赌片单元约尺寸 的计算为”】： 单元宽带： 荤元长度： 式( 2 2 ) 中 w = 旁c 学“2 p 三2 五了主赢一2 2 f ，q 8 t 也= 丁g + 1 扣g 2 - 1 、1 + 警“2 坐：o 4 1 2 虹竺：型! ! 生! ：! 塑 h ( 一o 2 5 8 ) ( w h + o 固 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 其中工为工作频率，c 为光速，6 r 摹片静相对介电常数，占。为蒸 片的等效介电常数，h 为介质基片厚度。 ) ) d 4 一 一 o 2 ( ( 魄子科技大学硕士论文第二章圆极化徽带天线设计 2 i - 2 圜极化切角 本项翻要实现圆极化波。用微帮天线产生圆极化波的关键是产生 舞令稷仡方两正交筑，箍疫稳等豹，稻整稿黧9 0 。熬线极纯泼“。稷撰 腔模理论w 知：一个形状规则的翠片微带天线由一点馈电可产生线极 化正交幅度相等的两个筒并模，但是不能形成9 0 6 相位差。为了在简并 模之闯影戏9 0 。楣位差，在趣刘形状酌单片微带天线上醛热麓并摸分 离单元，佼箍并正交模的谐振颓宰产生分离，工作频率选在两个谐掇 频率之间。当简并模分离单元大小选择合适时，对工作频率而言，一 个模的等效阻抗相角超过4 5 。，丽另一模的等效阻抗相角滞后4 5 。，这 样裁形成了强蔽鬟二辐瓣。其强形翔下： 图2 一l 一点馈电矩形国极化微带天线 a ) 赠澎教带天线嫩跨位爱( b ) 黼翔篱毙分离幕元矩形蠢极他徽带天线 其切角计算公式如下； a 型馈电方式； b 登馈电方式： | 埘：s t o o 一1 2 l 蝣s l o o l ( 2 5 ，a ) ( 2 5 b ) 式( 2 5 ) 中 s = 形x la s = c c ( a 烈)a s = l e( b 裂)( 2 6 ) 其中幺为天线的总品质因素，可液示成： 西12 虿1 + 西1 + 西1 + 瓦1 ( 2 - - 7 )q oqq 。g 如 。 g ，q d ，q c f f = l l q 。努鬟梵对应予辖麓，奔震，寻俸援耗貔晶痰因素僮。 轨= 嘉 晓= h 4 - c 矿：( 2 - 8 a ) 謦，磐 撼霉 电子科技大学硕士论文第二章圆极化微带天线设计 门一旦监 z 7 4 工 2 1 3 馈电网络设计 蜘而毒踢 s 4 而 图2 1 所示的贴片单元的谐振电阻可近似表示为： r h ：1 2 0 t o h q c 。s 2 ( x y o z ) ( 2 - 9 ) 占。叫l 式中q 为等效谐振电路的品质因素，耳为馈电点位置。 馈电网络的设计则是保证天线所要求的激励振幅和相位，以便形 成所要求的天线方向图或天线某项指标最佳，因此对馈电网络要求输 入阻抗良好匹配，尽量小的馈电损耗，较宽的工作频带和结构简单等。 本设计所采用的侧馈方案具有上述特点。 2 1 4 基片材料及加工工艺 基片材料的选择对微带天线阵的性能影响很大，基片的介电常数， 基片的厚度和均匀性，以及材料的损耗角正切是决定天线性能的关键 因素，同时基片材料的机械特性和温度特性也对天线性能产生影响， 本文采用r o g e r s 公司的进口基片进行加工制作，测试结果表示这种材 料的天线阵性能比较理想。此外，严格的微带天线设计制作工艺将保 证所设计的天线阵性能；采用a n s o f t 公司最先进的h f s s 和德国c s t 软件保证天线阵的设计精度；采用自动光绘机直接得到高精度的1 ：l 照明底片；对覆铜箔和介质没有损伤的清洗；薄基片材料的光刻胶涂 敷的均匀性；正确选择蚀刻剂和保证适当的蚀刻条件和蚀刻速度；天 线单元表面镀金层的均匀性。这些工艺条件的保证是获得良好天线性 能的必备条件。 2 25 g h z 圆极化微带天线的设计 2 2 1 技术指标 基片给定：选用r o g e r s 公司的聚四氟乙烯玻纤板。( s ，= 2 2 ， h = o 2 m m ，d r = 5 8 1 0 4 s i m e n s m m ，t 9 6 = o 0 0 0 5 ) 完成圆极化微带天线的 设计。 电气技术指标如下： 电子科技大学硕士论文第二章圃极化微带天线设计 2 2 。2o s l 微带天线仿真 从上贴片单元的尺寸的计算公式，我们w 以得到w = l 1 0 7 m m ， 潮对也可以褪略豹计嚣出馈电点静位置和切囊豹大小。在这里，我 运过德国既c s t 较侔滋其仿真鞠优亿。c s tm i c r o w a v es t u d i o 软锌是 个三维商业软件，特别适合处理高频无源器件场的仿真。在计算天线 问题上，w 以处理单层，多层介质天线及电磁缝隙耦合天线。在后处 瑾可楚理s 参数及远场方蠢霾，糍瓣霉要掺蔽黎参鼗交爨傀亿，褥爨 任意切面的二维方向黼和三维立体波瓣图，以及驻波，损耗，轴比， 辐射效率，近场场分嫩和电流分布等性能指标。下面给出微带天线在 c s t 软件中的仿真强鄹如据设置倪亿变量，见图2 2 秘2 3 颞示。 图2 2 微镦哭线待真图 图2 3 设置优化变量 电子科技大学硕士论文 第二鬻 圆极化微带天线设计 2 2 3c s t 仿真结果 在c s t 仿真中；首先，在软件中选好横板，使得些条件不黎再 设嚣，简化道程。粳据徽鬻天线豹大概尺寸，馈电位鬣和切角大小， 建立模溅。同时设溉好边界条件、端口、仿真的频段范围、设置需要 关心酌指标。翔莱镣得出豹结莱不理想，知道大概是酃些由郡些参数 弓 起懿，并置这些参数可以遥巍豹变纯，麓霹戳黪英钱诧，霞褥缓暴 达到要求。 对土嚣黪徽警天线进学傍爽露优姥，餐爨了魄较满意懿缝罴：季囊 跳 i 。3 d b ，天线谐振频率为5 g h z ，带内阐波大于1 8 d b ，驻波小予l ，4 ， 增益大予6 d b i 。 。 t - 一一 一。“一一”一 ! 群兰一 厂、 ， 、 燃2 q 广 l ， 、 - f , , 4 q | n | _ n ” n j e 豳2 6 圜渡损耗s i i d b )鞠2 7 驻波v s w r 圈2 4 远场方商蹿 电子秘援大学硕士论文第二擎萄极化徽带天线设计 2 。2 。4h f s s 傍真 圈2 5 轴比a r ( d b ) a n s o f th f s s 软 孛悬弛通用的懿频缩构电磁场仿真软件，其嵩 效、准确仿真分析，赢得了微波工程师的青睐。对于小型阵列天线单 元来说，尽繁涉及麴是嚣皴场熬分辑，交予软 孛豹舞级对算法( 鸯滩 元法) 作了优化，大大压缩的数据量，一般工作站和配疆高的p c 也可 镁快酶褥舞傍真结莱。傣粪豹搿靠往耩效率都摄离，鸯着待绕设计不 w 比拟的优越性。 针对开放场的特殊情况，做以下必要说明： 1 、凄在微豢天线夕 蕊一个长方体b o x ，作为r a d i a t i o i q ，让各边建 微带天线不小于 4 。 2 、蓬方终p o r t 内墼爨楚b o a r d 端瑟，其痰覆长宠隽5 0 q 豢线宽静1 0 倍，搬其内壁作为p o r t 。 3 、该模麓采薅的稀糕为双蕊覆锅介质投，把p a t c h 馈线静上表蘸设 攫为p e r f e c te ，把g r o u n d 的下表面也设置为p e r l e c te 。 1 6 电子科技大学硕士论文 第二章圆极化微带天线设计 图2 1 0 极坐标h 面方向图 图2 1 1 极坐标e 面方向图 通过高频无源器件场仿真领域中两种权威性软件计算，可以看出： 微带天线谐振频率都在5 0 0 0 m h z ，在带宽范围内驻波都在1 3 左右， 轴比结果优化到1 4 d b ，增益在6 d b i 以上，并得到满意的方向图，能 达到天线设计指标要求。 2 3 测试方法与结果 2 3 一l 测试方法 天线辐射特性的测试必须在远场区内进行，才能保证足够的测量 精度。因此辅助天线和待测天线之间的距离应满足远场测试条件： ) 坐婴 ( 2 一10 ) 其中。是观察点到天线的最短距离，d 是辅助天线口径的最大线 尺寸，d 是待测天线口径的最大线尺寸，兄是天线的工作波长。实验中 测量微带天线方向图时，所取距离为1 0 米满足要求。一般小型天线方 向图的测试应该在微波暗室里进行，以避免外界电磁环境的干扰。比 较法是测量天线增益最常用的方法。它是将待测天线的增益与已知增 益的标准天线进行比较而测得其增益值的方法。 抓准哭线 1 7 电子科技大学硕士论文第二章圆极化微带天线设计 图2 一1 2 天线方向图测试原理幽 图2 13 天线增益测试原理圈 测试仪器为：a v 4 0 3 2 a 高性能频谱分析仪，a v l 4 8 1 c 微波合成扫 频信号发生器，西南电子设备研究所的天线转台控制器，辅助发射天 线采用和接收天线一样的5 g 圆极化天线，标准天线为5 g h z 圆极化最 佳天线，其增益为7 d b i 。 2 3 2 测试数据 图2 1 4 直角坐标e 面方向图图2 1 5 直角坐标h 面方向图 图2 1 6 极坐标e 面方向图图2 1 7 极坐标h 面方向图 燎霹露戮黧强弱+ b 盎 m矗t 。铤礴b j x手 气t 。 1 1r j 图2 一1 8 轴比a r ( d b ) 图2 1 9回波测试数据 电子科技大学硕士论文第二章圆极化微带天线设计 天线的方向图，轴比，驻波的测试数据都很理想，增益也在6 d g i 左右。和优化仿真数据能较好的吻合。能满足天线设计指标的要求， 能用于本接收系统中。 图2 2 05 g h z 圆极化微带天线 2 4 本章小结与后续工作 一般由于微带天线带宽仅5 左右，工程中可以通过如下方法来 增加带宽：增加基片的厚度，减小相对介电常数( 但是，将引起表面 损耗) ；利用阻抗匹配网络( 会使得结构复杂，增加装配误差) 。但是 本接收机项目中要求中心频率为5 g h z ，带宽为2 g h z ，所以这些方法 相对有限。采用增加寄生单元的办法，类似的设计过程，制作出谐振 频率在4 6 g h z 的相似天线单元，并以相邻的2 2 元矩形阵作为子阵， 利用并馈阵思想来拓宽天线带宽。 电子科技大学硬士论文第三章丈功率收发开关 3 。i概述 第三章大功率收发开关 微波开关是微波控制电路的黧袋组成部分，它在相控阵雷达、电 子对抗、微波通谊、卫塞逶信以及微波测量等方蘧有着广泛豹瘟用。 丽高功率徽波开关剐惩各葶孛霉达系统中瓣关键部件，它酶据标强大程 度上决定了整个系统的性能。在微波开关的设计中，隔离度和插入损 耗是最重要的两个指标。另外，肖些情况下述滞要拓宽开关的工作带 宠。解决豹办法一觳怒怒p i n 二极喾霹滤波瓣缝合莛寒竣诗，诖二稷 管反向偏鬣的时候作为滤波器的缎成部分，以展宽开关在传输状态下 的频带；幽二极管正向偏置的时候，滤波器的结构被破坏，起到隔离 豹馋司“1 。在不少无线激系统孛，往往器把一个设备来凰疑接到两个 不同设备上，形成交替工作的两条徽波遂路。矮典型的铡予为天线牧 发开关，发射机和接收机关用一个天线。由于褥达的工作多为脉冲制， 发射和接收可在时间上予以分割，敞可以用一个开关来回控制曲1 。 徽渡秀美毫夔有多秘形式：攀薮鏊矛关、势联鍪并关、港菝式牙 关、串并联式开关、滤波器式开关等等。实际上，在射频和微波频段， 无论是采用串联型还怒并联型的单管开关，通常是很难达到4 0 d b 的隔 离度。这主要是由搀埝线豹辐射效应以及电路豹不良羼蔽造成静。为 了克服这一缺点，可戳采用事并联式开关或怒滤波器式开荚，以改善 隔离度。在通信对抗系统中，跳频干扰设备大功率收发开关在工程中 是一个技术难点，同时也是一个关键的部件。大功率收发开关是串联 在发袈撬葫放赘辕崮麓，天线窭羧浚秘之阕熬一耱装要，毅魏它必矮 满足发射端低插损，猩发射机工作时，要承受3 0 w 连续功率。同时在 接收机工作时，对发射端和天线商足够高的隔离度，另外又要求微秒 量级粒收发转换速度，从瑟缳证跳频于扰设镰瓣菝察懿工俸。大功率 收发开关一章中主要叙述了这种开关的设计、方 案选择和a d s 仿真，驱动器电路与开关速度的考 虑和测试结果。 3 2p l 瓣二搬警原疆及英特；陵 匡 圈 p l t , l 蕾鐾l j l 1 叫一 在两个高参杂的p + 和n + 半母体之间夹入一刖曹符寺 令素参杂黪本薤层鄹i 基，藏可以物藏墨3 - lp i n 二投繁戆结携与耱母 2 0 电子科技大学硕士论文第三章大功率收发开关 p i n 二极管，结构和符号如下图3 1 所示。p i n 管与一般的p n 结二 极管相似，具有整流特性，但是它的结电容要小一些。因为耗尽层的 宽度与p 层或n 层的电阻率( 或者参杂浓度) 成反比，且p i n 管的参 杂浓度较低，所以p i n 管的耗尽层比p n 结二极管宽，因此结电容也 就较小。由于p i n 管在方向偏置时具有低电容，高阻抗特性，可以等 效未开路，所以在作为控制电路时效果很好。如开关、阻性衰减器、 限幅器、数字移相器及数字调制器等。p i n 二极管的等效电路如下图3 2 所示： 5 i | | 5 0 m a_ a i l l p o v 。0 l、k j - r 1 几u a 图3 - 2p i n = 极管的等效电路与i v 特性曲线 左图中，正向偏置时，开关指向r j ，反向偏置时，开关指向c ；， 由于绝大部分控制电路中，p i n 管不是工作在正向偏置就是工作在反 向偏置。所以p i n 管的等效电路可分为正向偏置和反向偏置两种情况 讨论。 1 ，正向偏置时：上图右中a 点，忽略封装效应l 。和c 。，则可以等效为： z ，= r ，= r 。+ r ，0 ( 3 1 ) 即p i n 管正向偏置时与p n 结二极管相似，只有极小的结电阻， 等效为断路。在正偏电流为零或较小时，r ，的值主要由r ，决定，r 。可 以忽略不计；当偏流为几十毫安时，r ，可以较小到几欧姆左右，这时r 的影响不能忽略。因此在大偏流情况下，p i n 管可等效r 。 2 ，向偏置时；忽略封装效应l 。和c 。，即反向偏置时等效未开路。则可 以等效为： 电子科技大学硕士论文第三章大功率收发开关 z ，= 月；一石1 ( 3 - - 2 ) 下表为p i n 二极管电流特性： 表3 1m a c o m 公司几种p i n 管参数 p i nc e r m a c h i p s s p e c i f l c a t l o r tot a = + 2 5 。c n o t n l l l c h r 嘲r h 妇 山t 学2 c 4 z r f l e i - 呐1 0 o 由l r i t l r qr b - 1 0 0 - - l 创t 0 0 vc 1 1 1 f6 i _ s d 州i o | - ，- 0岫帕1 t m i佃h x m i l 町叫埘e ，帅 乏 a 蜘 。a t ”日r n ”a t 0 m w a t 一： 1m - 栅l n 脚r 坤自n “i i 0 、q _ “i w 帅n _ 噼 j c a p a 0 1 1 1 c e h 柚m z d l m 乜 & 融3 m 。_ 即t d - 酣m 1 m h n a n - 1 c a n t s r l l t l m n h6 d 州l a 1 0 m e 。圳h 州i 酬吲坤r f 洲m n 自哪l $ p r “t o r “i m 一r 3 3 p in 管的主要参数 3 3 1 截止频率丘 p i n 管的截止频率定义为二极管正、反向电阻比( 俗称开关比) 等于l 时的频率。由等效电路可知，当正向偏置足够大时r ，：足，而 反向偏置也足够大时，其反向阻抗为i 以i ，故开关比为l ( 国c ，r ，) 。 因此，根据定义可以求得p i n 管截止频率的表达式为： ，：l 。一。、 。2 以，r ， “ 显然，为了减小控制电路中p i n 管引入的损耗，必须有较大的开关比， 因此应选择正高，即r ，、q 、r ，小的p i n 管。 3 3 2 最大功率容量 所谓p i n 管的功率容量是指它能承受的最大微波功率。由于管子 正、反偏置状态下的工作特性不同，所能承受的最大功率也不一样。 在反向偏置下，加在p i n 管上的总电压为偏置电压与微波电压之 和。在微波电压的正半周，总电压绝对值的最小点不能超过零电压点， 毫予辩接大学颈圭论文繁三章大功率敬发开关 否则使反向工作状态下的损耗增加；在微波电压的负半周，总电压绝 对馕的最大点必须小于击穿溉压，否则p i n 管可黢被击穿。为了保 护管子安全，又能充分巅鬻二摄管，热劐p i n 管土豹徽波信号电压麴 有效值应为2 2 ，由此不难求得反向偏置下p i n 管所能承受的 最大微波功率。 在歪囱镶鬓下，p i n 警上懿豢耗臻搴必须枣子簿予完诲承受戆功 率只，否则困过热而烧毁。当正向偏置电流为厶对，为确保管予安全 而允许的最大微波信号电流肖效值是： k 鼯 ( 3 4 ) 综上所述，加到p i n 管上的最大功率容量必须豳正、反向偏置下 允许承受的微波倥号功率中较小者决定。 在熬诤清掇下，由于遴过警子兹麓搴是不连续豹，在无弥渖时， 管予可以散热，所以导通时所能承受的脉冲功率各凝可以大于涟续波 工作时的功率容爨，其增大的倍数与脉冲的宽度和占空比有关，但管 子截止薅的反囊惫压仍不能大于壹穿电藤。霆憩在躲渖2 跨凌下，功搴 容鼙主要受至反向击穿电鹾的限制o “。 3 3 。3 开关时间 警p i n 警侈隽快速矛关元件捷爱辩，开关薅淘怒缀重要戆参数， 要求它尽可能的短。由于p i n 管的正反状态之间的转换不是瞬时就能 完成，需有一过渡过程，因此必须考虑凝开关时间( 成转换时间) 问 题+ 开关时闯溉秘p i n 警本隽赛美，又秘镰匿控裁滚鼹育关，应埯嚣 方瑟因素结合戳来考虑。 通常的p i n 管的开关时间从几十毫微秒到几个微秒，其值的大小 除敬决于载流子淹命f 和激励电路以外，还和承受功率有关。当承受 丈凌率嚣p i n 餐液毒较浑款i 层_ 攀度w 蠢较大敢缝嚣辍矗。警w 较大 时，会发生如下现象：i 层两侧由于反向电流的作用将载流子“吸出” 而形成耗尽区，假i 层中间仍有载流子未被“吸出”，此时反向电压主 要热在耗尽区上，对i 层中- b 嚣残存毂簸淡予部分，俸是毫凌蕊徽， 困j 逝不再被继续“吸盘”，雨主要依靠复合和扩散雨消失。当w 较厚时， 扩散的路程也长，这些因豢都导致开关时间的增加。另一方面，结面 积a 增加时，管予周冕的相对面积缩小了，丽载流予鸯耱当大一部分 载瘸赛主复合，潮魏覆减小了周赛上复台静掇会，溺薅氇璜杰鼙了载流 电子科技大学颂士论文第三章大功率收发开关 子的寿命。综上所述，当p i n 管承受功率增大，因而管予的w 和a 必 须相应增加时，其开关时间也会增加。这是实际使用中应该注意的”。 3 44 6 6 h z 大功鬻收发哥芙设计 3 4 1 主要技术指标 ：4 6 g h z ；i l ：发射溃一天线蠊隧i l - 6 0 d b ；p 输入功率：连缨波3 0 w ；开芙速度t - 一1 5 d b ，v s w r 1 5 ：1 。 图4 9 ar = o q 时输入输出功率关系 图4 9 br = 2 0 q 时输入输出功率关系 p o 阁4 9 cr = 3 0 q 时输入输出功率关系图4 9 dr = 4 0 q 时输入输出功率关系 宅子辩菝丈攀颈圭谚文第嚣章羝旗平疆辐嚣设诗晕珏测试 图4 9 测试结果 从实验结祭可以看出：所设计的4 - 6 s h z 低电平限幅器具有限幅电 平低、插入损耗小、匹配性能好的特点，基本上满足设计要求。而且 由爽验测褥的数据移在e e s o f 仿真得到憋结果相差不大，证明了此设 诗怒成磅静。 4 4 本章小继 本章逶过瓣器秘疆箍琢溪戆滋鞍以及对骜跨辇二叛警察3 d b 定彝 藕含嚣特性的分析丽选择舜寸用l a n g e 祸龠器和肖特基二极管来设计 4 - 6 g f i z 低电平照幅器。这里所设计的4 - 6 g h z 低电平微波限幅嚣从电 气憾髓上看，它矮鸯电压驻波小、插入损耗小、匹瓣性能好等憋点； 获羚形结蓰土嚣，它其有尺寸小、重量辍、级联( 如上图4 8 ) 和安 装方便的特点。 该限幅器可用于各种灵敏电路器件的前端起保护作用。它可以根 爨嚣簧逶；童竣交捺滚毫篷黪大小秀浚交隈溪器瓣羧壤毫乎。它还可以 根据具体需要通过级联来增加限幅器的隔离度。总之，可根据不同的 工作条件和性能骚求来调整电路，使限幅器的性能与系统的要求相一 致，使电路积系绫都达到最镶状态。 电子科技大学硕士论文第五章低噪声放大器设计 第五章低噪声放大器设计 低噪声放大器( l n a ) 通常都是作为射频( r f ) 接收系统中的关键 部件，它在射频电路中除了放大从天线接收的微弱信号从而提高电路 的整体增益外，它主要有四个作用：第一，能够改善噪声特性，提高 信噪比；第二，使天线和本振器或混频器之间相互隔离，从而很好的 避免了可能由本振器所产生的反向传输信号对电路形成的干扰，在天 线和混频器之间放上l n a 阻碍和限制了信号通过天线向空中辐射的可 能；第三，提高了对镜频信号的抑制能力；第四，提高和改善了电路 的选择性。 射频宽带放大器是电子对抗、宽带通信以及宽带仪器设备中的关 键部件。l n a 的信号直接来源于天线，为了实现最大功率传输，l n a 输入 和天线之间要求阻抗匹配( 一般为5 0q 或者1 0 0 q ) 。对l n a 既要有小 的噪声系数，又要有足够的放大增益，在这两个指标都满足的情况下再 考虑优化减小器件的功耗。总之，在l n a 设计中，有以下几个主要的性 能指标：放大器最小噪声系数，线性度良好并且足够大的增益，稳定数 值的输入阻抗，小的功率损耗。3 。 5 1 低噪声放大器的主要技术指标 5 1 i 噪声系数n f 噪声系数的定义为放大器输入信噪比与输出信噪比的比值，即： 懈：婴 ( 5 一1 ) s 。0 。， 对单级放大器而言，其噪声系数的计算为： 一砜枷。高 ”z ， 其中n 只，。为晶体管最小噪声系数，是由放大器的管子本身决定的， r 一、r n 和fs 分别为获得n f ，。时的最佳源反射系数、晶体管等效噪 声电阻、以及晶体管输入端的源反射系数。 对多级放大器而言，其噪声系数的计算为： n f 2 n f l + ( n f2 1 ) g 1 十( n f 】一1 ) g 1 g2 + ( 5 3 ) 其中峨为第i 3 级放大器的噪声系数，g 。为第n 级放大器的增益。 电子科技大学硕士论文第五章低噪声放大器设计 在某些噪声系数要求非常高的系统，由于噪声系数很小，用噪声 系数表示很不方便，常常用噪声温度来表示，噪声温度与噪声系数的 换算关系为： t 。= t 。( n f 一1 )( 5 4 ) 其中t 。为放大器的噪声温度，to = 2 9 0 。k ，n f 为放大器的噪声系 数。 n f ( d b ) = i o l g n f( 5 5 ) 5 1 2 放大器增益g 放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值： g = p 。+ p ；。( 5 6 ) 从式( 5 3 ) 中可见，提高低噪声放大器的增益对降低整机的噪 声系数非常有利，但低噪声放大器的增益过高会影响整个接收机的动 态范围。所以，一般来说低噪声放大器的增益确定应与系统的整机噪 声系数、接收机动态范围等结合起来考虑。 5 1 3 输入输出的驻波比 低噪声放大器的输入输出驻波比表征了其输入输出回路的匹配情 况，在设计低噪声放大器的匹配电路时，输入匹配网络一般为获得最 小噪声而设计为接近最佳噪声匹配网络而不是最佳功率匹配网络，而 输出匹配网络一般是为获得最大功率和最低驻波比而设计。所以，低 噪声放大器的输入端总是存在某种失配。这种失配在某些情况下会使 系统不稳定，一般情况下，为了减小放大器输入端失配所引起的端口 反射对系统的影响，可用插损很小的隔离