（无线电物理专业论文）毫米波引信前端收发组件.pdf

摘要 本文研究的毫米波收发组件是引信前端的重要组成部分。本文的工作围绕毫 米波引信前端收发组件及其关键部件的研究展开。 本文首先阐述了毫米波引信前端收发组件的工作原理，根据收发组件的技术 指标，按照组件的设计原则提出了具体的设计方案，给出了组件的结构框图，并 把组件分为几大模块来进行设计。 本文研究了与组件相关的一些平面无源电路。设计了用于组件各模块电路及 毫米波单片功率放大器中的微带功率分配，a 成器；提出了几种新型的微带带通滤 波器结构，给出了仿真和测试结果；其中一种在毫米波上实现的新型微带带通滤 波器，通过加载电容而出现慢波效应，从而在不改变电路性能的情况下减小了电 路的尺寸，因而使组件的结构安排更易实现。本文通过高频分析软件h f s s 对引起 对脊鳝线过渡谐振的几个参数进行了分析，得出了可供工程应用参考的设计曲线。 此外，采用准静态模型计算了微带到微带互连双线结构的高频特性，其结果对毫 米波微带集成电路的设计具有重要价值。本文还介绍了m m i c 设计中常用的电容、 电感和电阻等多种无源元件，给出了它们的等效电路模型和设计方法。 通过运用p h e m t 有源器件模型，设计、仿真、优化并通过国内自有的g a a s 工艺线制做了k a 频段g a a sp h e m t 单片功率放大器。一 讨论了输出功率较小的乙类倍频器，简述了微波场效应晶体管倍频器的理论， 对倍频源相位噪声的影响作出了分析，获得了组件所需的毫米波倍频源。 在介绍了微波集成混频器通常采用的肖特基势垒二极管的结构及等效电路的 基础上，介绍了混频器的混频原理、主要技术指标及基本电路形式。 毫米波0 - 万移相器是组件的关键部件之一，其性能的好坏将直接影响到组件的 指标。本文研究了毫米波0 - 石移相器的移相误差、寄生调幅和开关时间对载波抑 制度的影响，得出了有用的结论来指导毫米波0 - 厅移相器的设计，最后的测试结 果显示了理论分析的正确性。 最后在前面单个部件分析设计的基础上，设计制作并测试了毫米波引信前端 收发组件，测试结果显示本文所研制的收发组件完全满足项目技术指标要求。 关键词：毫米波，收发组件，前端，m m i c a b s t r a ( 了 a b s t r a c t t h em i l l i m e t e r - w a v et r a n s c e i v e rm o d u l ei nt h i sp a p e ri st h ei m p o r t a n tp a r to ft h e f t l s ef r o n t e n d t h et h e s i si sf o e l l s e do nt h em i l l i m e t e r - w a v et r a n s c e i v e rm o d u l ea n di t s k e yc o m p o n e n t s f i r s to fa l l ，p r i n c i p l eo ft h em i l l i m e t e r w a v et r a n s c e i v e rm o d u l ei se x p o u n d e d t h e d e s i g np r o j e c ta n df r a m ep i c t u r eo ft h et r a n s c e i v e rm o d u l ea r ep r e s e n t e da c c o r d i n gt o t h et e c h n o l o g yt a r g e ta n dd e s i g np r i n c i p l eo ft h et r a n s c e i v e rm o d u l e t h et r a n s c e i v e r m o d u l ei n c l u d e saf e wc i r c u i tm o d u l e s s o m e p l a n a rp a s s i v e c i r c u i t sc o r r e l a t e dt h i s p a p e r a r ed i s c u s s e d t h e d i v i d e r c o m b i n e ru s i n gi nc i r c u i tm o d u l e so ft r a n s c e i v e rm o d u l ea n dm i l l i m e t e r - w a v e m o n o l i t h i cp o w e ra m p l i f i e ri sd e s i g n e d t h i sp a p e rp u t sf o r w a r ds e v e r a ln o v e l m i c r o s t r i pb a n a s sf i l t e rs t r u c t u r e sa n dg i v e ss t i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n o v e lm i l l i m e t e r - w a v em i c r o s t r i pb a n d p a s sf i l t e rs h o w ss l o w w a v ee f f e c tw i t hl o a d i n g c a p a c i t a n c e t h es i z eo ft h i sf i l t e ri sg r e a t l yr e d u c e d ，a n d t h ep e r f o r m a n c eo ft h ef i l t e ri s n o tc h a n g e d t h i sp a p e ra n a l y z e sk a b a n da n t i p o d a lf i n l i n ew a v e g u i d e t o m i c r o s t r i p t r a n s i t i o nb yh f s s b a s e do ns i m u l a t i o nr e s u l t ，s e v e r a lf a c t o r sa f f e c t i n gp e r f o r m a n c eo f t r a n s i t i o na r ea n a l y z e d , a n dad e s i g nc u r v eo ft r a n s i t i o na v a i l a b l ef o rp r o j e c ta p p l i c a t i o n i sg o t f u r t h e r m o r et h ed o u b l eb o n d i n gw i r ei n t e r c o n n e c t i o no fm i c r o s t r i p m i c r o s t r i pi s a n a l y s i sw i t haq u a s i s t a t i cm o d e l ，a n dt h er e s u l ti su s e f u li nm i c r o s t r i pm i cd e s i g n t h e m m i c p a s s i v ec o m p o n e n t ss u c ha sr e s i s t o r s ，c a p a c i t o r sa n di n d u c t o r sa r ea l s os t u d i e d t h e i re q u i v a l e n td r c u i tm o d e l sa n dd e s i g nm e t h o da r e 百v e n ak a - b a n dm m i cp o w e ra m p l i f i e ri sf a b r i c a t e du s i n go 2 5 “mp h e m t t e c h n o l o g y i nt h e1 3 mi n s t i t u t e t h ec i r c u i ti sd e s i g n e d o p t i m i z e da n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s i m u l a t i o n t h ee x t r a c t i o no fd e v i c em o d e lp a r a m e t e r si sd r a wb yt h ei c _ c a p a s t u d yo fg a a s 肌f r e q u e n c ym u l t i p l i e rw o r k i n go nc l a s s bi sp r e s e n t e d t h e p a p e ra n a l y z e st h ei n f l u e n c eo ft h ep h a s en o i s eo ft h ef r e q u e n c ym u l t i p l i e ra n dg e t m i l l i m e t e r - w a v ef r e q u e n c ym u l t i p l i e ru s i n gi nt h et r a n s c e i v e rm o d u l e t h et h e o r y , t e c h n i q u et a r g e ta n db a s i cc i r c u i t so fm i x e ra r ed i s c u s s e da f t e rs t r u c t u r e h a b g n 认c r a n d e q u i v a l e n tc i r c u i to fs c h o t t k yd i o d e i si n t r o d u c e d m i l l i m e t e r - w a v e0 - 1 0p h a s es h i f t e ri so n eo ft h ek e yp a r t so ft h et r a n s c e i v e rm o d u l e ， i t sp e r f o r m a n c ew i l li n f l u e n c ep e r f o r m a n c eo ft h et r a n s c e i v e rm o d u l e t h i sp a p e r p r e s e n t s t h e a n a l y s i s a n ds i m u l a t i o nt h a tt h e p e r f o r m a n c eo fao - pp h a s es h i f t e r i n f l u e n c eo nt h ec a l 而e rw a v es u p p r e s s i o n t h ec a r r i e rw a v es u p p r e s s i o ni sn o to n l yi n c o n n e c t i o nw i t ht h ep h a s ee r r o r , b u ta l s ow i t ht h es w i t c h i n gs p e e da n dt h ep a r a s i t i c a m p l i t u d em o d u l a t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o i n c i d ew i t ht h es i m u l a t i o n o nt h eb a s i so fa b o v ew o r k ，t h em i l l i m e t e r - w a v et r a n s c e i v e rm o d u l ei nf u s e f o n t e n di sr e a l i z e d t e s t d a t ai n d i c a t et r a n s c e i v e rm o d u l et h a tt h ep a p e rd e v e l o p s e n t i r e l ym e e t st h es p e c i f i c a t i o nr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：m i l l i m e t e r - w a v e ，t r a n s c e i v e rm o d u l e ，f r o n t e n d ，m m i c 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：吟垒宝 日期：矽年，明u 曰 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) 第一章绪论 第一章绪论 精确制导武器已被列为对2 1 世纪初总体作战能力有重大影响的军事装备。精 确制导武器主要分导弹和精确制导弹药两大分支。精确制导弹药自身一般没有动 力装置，其弹道的初始段、中段需借助火炮、飞机、舰艇投掷。到达目标上空后， 寻的头便自动跟踪和寻找要攻击的目标，在电子部件和控制机构的计算和修正下， 由战斗部对敌方目标实施精确打击。毫米波技术在精确制导弹药的寻的引信中得 到了重要的应用并已取得了突破性发展。毫米波寻的引信主要有主动式和被动式 两种形式，后来又发展了一种“半主动”体制。本论文研究课题是主动式毫米波引 信系统的收发组件。毫米波寻的技术发展的难点主要有：低成本高性能制导与控 制部件的设计和制造，毫米波元器件的小型化以及更先进的毫米波集成电路。 1 1 无线电引信 引信是一种利用目标信息或按预定指令控制弹药爆炸的引爆装置。引信由目 标探测器、信号处理电路、启动指令产生器和安全一执行机构四个部分组成。按照 目标探测器( 又称目标敏感器) 的物理特性，可将引信分为机械引信、电引信、 无线电引信、光学引信、磁引信、声引信和压力引信等。其中，无线电引信是利 用电磁波环境信息感知目标并使引信在距目标最佳炸点处起爆战斗部的一种近炸 引信。众所周知，电磁场是以电磁波的形式在空间进行传播的，其传播速度为光 速。电磁波在空间传播过程中，对不同的介质要发生反射、折射，其能量不断衰 减，无线电引信正是利用电磁波的这种传播特性感觉目标的存在，并获取目标的 方位、距离等有关信息。 无线电引信基本工作原理是：当弹丸或战斗部接近目标时，引信的信息敏感 装置感受目标周围空间电磁场能量的变化以收集目标信息，通过信号处理器对接 收技术输出的信号进行分离、变换、运算和选择处理后，输出激励信号，启动执 行级，适时起爆战斗部，以获得最佳引战配合效率。 无线电引信的信息敏感装置也称目标探测器或高频组件，主要用于产生高频 振荡、发射和接收无线电波，并将含有目标信息的回波变成含有目标信息的信号， 电子科技大学博士学位论文 通常将这个信号称为有用信号。目标探测器随引信工作原理体制的不同而不同。 对于主动式引信，目标探测器既含有发射系统又含有接收系统，半主动和被动式 引信就只含有接收系统。一般导弹引信有单独的发射机和接收机，而炮弹引信由 于空间体积和价格的制约，一般收发系统共用，常用自差机，即发射和接收由同 一器件和同一天线来完成。 无线电引信有多种分类方法，常见的分类方法有以下四类：第一类是按工作 体制将无线电引信分为连续多普勒引信、调频引信、脉冲引信、比相引信、噪声 调制引信、伪随机码调制引信等。第二类是按工作波长分为米波无线电引信、分 米波无线电引信、微波无线电引信和毫米波无线电引信。第三类是按引信发射与 接收系统闻相互独立程度的不同，将无线电引信分为外差式引信和自差式引信。 第四类是按配用弹种将无线电引信分为地炮弹无线电引信、高炮弹无线电引信、 迫弹无线电引信、火箭弹无线电引信、导弹无线电引信等【“ 2 1 。 1 2 毫米波系统发展 1 2 1 概述 二战以后，局部战争仍时有发生。作战方式发生了巨大的变化，军队正在由“体 能型”、“技能型”向“智能型”的方向发展。因此，需要更先进和精确的武器来有效 杀伤敌方和减少我方伤亡。2 0 世纪7 0 年代发展的红外制导武器存在不适宜雨、 雾、雪等气象条件的缺点。毫米波的频率范围为3 0 3 0 0 g h z ，带宽高达2 7 3 5 g h z ； 毫米波由于波长短、频带宽，与激光、红外相比，其传播受气候的影响小，和微 波相比其元器件的尺寸要小得多，容易小型化。由于波长短，毫米波天线主瓣波 束窄、旁瓣低，可以分辨相距更近的小目标或者更为清晰地观察目标的细节。毫 米波引信工作频率散布宽，抗干扰能力强。正是在这样的背景下，国外开始了对 毫米波寻的引信技术的广泛研究。 1 9 7 4 年，美国陆军军械研究和发展局首先在2 0 3 m m 炮弹上设想了毫米波寻 的引信子炮弹( s a d a r m ) 概念，从而使炮弹在离目标几百米至几十米的短距离 内完成目标识别并实现定向攻击。1 9 7 9 年，美国空军确定研制采用毫米波寻的头 的末制导“黄蜂”导弹。1 9 8 0 年，美国国防部成立了专门的领导机构，全面展开对 毫米波寻的引信和末制导的研究。随后，英国等北约国家也相继开展了同类研究， 2 第一章绪论 至今毫米波制导技术已有了惊人的发展，成为开发的热点。毫米波在军事上的应 用是雷达与制导系统、电子对抗与电子支援系统、引信系统等。目前，国外采用 毫米波制导系统的有：美国的“黄蜂”、“s a d a r m ”、“s t a f f ，英国的“灰背隼”、 “长剑”，前苏联的“s a - 1 0 ”等等。我国最新的红箭9 a 反坦克导弹使用的也是毫米 波制导系统1 3 】1 4 1 。 毫米波目前在民用方面主要是毫米波通信，其中包括卫星毫米波通信、测量 雷达、车船防撞、地形测绘和射电天文方面。在民用方面的领先者是日本，其中 的e t s 一是日本继e s c 之后的第一个毫米波通信试验卫星，采用了毫米波 转发器，其馈电网络转发器和具有波束控制能力的毫米波天线的原理样机已经完 成，试验系统的空间部分由毫米波天线、毫米波转发器、馈电网络转发器以及两 台大天线组成。在毫米波转发器中，用了一个4 3 g h z 低噪声放大器和一台3 8 g h z 固态功率放大器。 1 2 2 毫米波收发组件发展 在精确制导武器中导引头是核心，其研制、生产费用较高，因此，设计研制 低成本导引头是降低精确制导武器成本的关键。毫米波导引头收发前端系统的集 成方法目前主要有混合集成( h m i c ) ，单片集成( m m i c ) ，近年来又发展了三维 集) 戎( 3 d m i c ) 和多芯片集成电路( m c m ) 技术。利用系统集成可以使雷达系统的体 积大大减小，稳定性和一致性提高，批量生产成本大大降低。而毫米波前端系统 的发展必须以高性能的毫米波元部件为基础，可靠性和低成本是系统走向实用的 关键。 为适应这种发展，美国从1 9 8 2 年起开始大力发展毫米波集成电路，1 9 8 5 年 1 1 公司研制出具有全部微波功能的单芯片t r 组件，虽然其性能并未满足机载雷 达的各项要求，成品率也太低，每块成本高达5 0 0 0 美元，但从此树立起用g a a s m m i c 技术实现全功能x 频段t r 组件的里程碑。1 9 8 6 年美国制订了“微波、毫 米波单片集成电路规划”，到了2 0 世纪9 0 年代，进入第二阶段的“微波、毫米波 单片集成电路规划”取得了重大突破，新型高效、大功率毫米波功率源、介质天线、 集成天线、低噪声接收机芯片等相继问世1 5 】嘲。 1 9 8 3 年t r w 公司研制出用于通信系统的v 频段低噪声接收机 7 1 ，主要包括 四个部分：r f 模块、中频放大器模块、k u 频段参考源和锁相电路。接收机的输 入射频频率范围为6 0 6 3 g h z ，输出中频为3 - 6 g h z 。通过锁相技术使5 7 g i - i zg u n n v c o 具有较高的稳定性和较低的f m 噪声。接收机的单边带噪声系数小于1 0 5 d b ， 3 电子科技大学博士学位论文 在3 g h z 带宽内变频增益为4 0 d b 。整个射频模块集成在一个低损耗的0 1 2 7 m m d u r o i d5 8 8 0 基片上。射频模块包括v 频段带线平衡混频器，g u n nv c o ，耦合器 以及谐波混频器。g u n nv c o 在5 1 0 8 g i - i z 的输出功率为3 7 1 m w ，电调范围 4 0 0 m h z 。为减少损耗，带线平衡混频器采用悬置带线结构，在本振频率为5 7 g h z ， r f 频率为5 7 6 4 g h z 时其变频损耗小于6 5 d b 。 1 9 9 2 年t s a k a i 等报道的小型x 频段m m i ct r 组件【8 】，用双层重叠结构， 上层是微波电路，下层为控制电路，体积仅1 3 m m x l 6 5 m m x 8 m m ，重1 0 9 ，平均 发射功率l w ，接收机噪声系数小于4 7 d b ，微波电路有三种m m i c 芯片：( 1 ) 多功能芯片，包括4 级低噪声放大器、2 级前置中功率放大器及2 只输入输出开 关；( 2 ) 5 位移相器( 相位精度 2 5 工作电压：+ 9 ，1 2 各端口驻波比： 1 5 通断比： - 4 5 噪声系数：常温鲕，全温7 频率稳定度：士2 1 旷 射频源相噪：茎- 7 5 礤输出噪声电压：5 2 ( 峰峰值) 开关前、后沿；s 5 双路功率不平衡性：s 1 0 1 7 g h z m w d b v d b d b ，。c d b e h z 1 0 k h z m v n s 电子科技大学博士学位论文 开关和调相控制为t r l 电平，要求组件的各种驱动和保护电源均集成在组件 内部，不得外挂。 收发组件外形结构： 外形尺寸：9 0 7 0 x 2 2 ( 不含接头) m m x m m x m 胁 输入、输出及1 1 m 控制电平在同一面，电源在另一面。 接口形式：射频为k 接头，控制信号为s m a ，电源为穿心电容 匹配阻抗：5 0 0 环境适应性能： 工作温度范围：5 5 + 8 5 。c 贮存温度范围：5 5 + 1 2 5 。c 其他：按p 1 2 x t - d g 6 空空导弹环境实验条例及方法。 2 2 毫米波引信前端收发组件工作原理 新一代毫米波近炸引信平台从“体制抗干扰”的理念出发，容纳了兼容脉问伪码 0 珂二值调相、随机脉位和等宽等周期三种调制方式的脉冲多普勒( p u l s e d d o p p l e r ) 引信的特点，通过改变发射调制和接收调制方式，可以形成三种体制脉 冲多普勒引信，并能够在不同的使用场合进行模式切换。其中，等宽等周期脉冲 调制的脉冲多普勒体制，调制、解调和信号处理方式相对简单，适合中高空作战 和对付一般电磁干扰环境下的动目标探测；随机脉位的脉冲多普勒体制引信，具 有抗应答式干扰和抑制距离副瓣能力，适合超低空作战和对付一般电磁干扰；而 脉间伪码0 石二值调相脉冲多普勒体制具有抗多种有源干扰和杂波的能力，能抑 制距离副瓣，适合超低空作战和对付强电磁干扰。 毫米波收发前端是引信系统的射频部分，也是引信系统的核心模块，负责信 号调制及射频信号的发射与接收。引信的发射波是被调制的射频信号，由源在调 制信号的作用下产生。源输出的信号一部分经过功率放大器后由天线发射出去( 或 直接发射出去) ，另一部分经定向祸合器至混频器作为混频器的本振信号。发射信 号在前进过程中如果遇到目标，电磁波的一部分能量将由目标返回，被引信的接 收天线接收。国内外已经对收发前端模块进行了大量深入研究，并取得了长足的 进展。已经研制出了多种结构的前端，主要包括波导结构前端，微带结构前端以 及单片集成前端。目前，国内研制的射频前端主要采用波导结构。 1 8 第二章毫米波引信前端收发组件方案 作为毫米波引信前端的核心组成部分，收发组件必须要满足引信的总体设计 要求。根据本组件所应用的引信体制要求，组件必须能够同时兼容脉间伪码0 - - 石二 值调相、随机脉位和等宽等周期调制的工作方式，可由此确定本收发组件原理框 图如图2 1 所示。从源出来的信号一路经过移相器调相，单刀单制开关调幅，功分 器功分后再经功率放大器放大后发射出去，另一路经定向耦合器后作为接收端本 振和接收到的信号混频，并经滤波器后输出中频。 图2 - l 收发组件原理框图 2 3 毫米波引信前端收发组件设计方案 2 3 1 毫米波引信前端收发组件设计原则 在现有技术条件下，本文所研究的组件采用混合集成电路方式实现。组件所 要求外形尺寸，几乎是在目前条件下采用混合集成电路所能实现的最小尺寸。 9 0 7 0 x 2 2 ( 不含接头) r a m m m x m l n 的小空间内要包括源、发射支路、接收支路 和电源部分，还要考虑功放的散热问题，结构设计要求之高可见一斑。因此组件 设计时各部分都必须遵循小且可靠的原则。 引信前端组件收、发支路共用一个源。由组件具体指标要求可知，组件对源 的相位噪声和频率稳定度要求较高，直接采用毫米波源来实现难度太大，且由于 整个组件的体积很小，如果采用频综源则体积太大，显然不符合要求，因此采用 倍频放大的方式，将源放在较易实现良好频率稳定度和相位噪声的x 频段，然后 1 9 电子科技大学博士学位论文 采用四倍频后再放大的方式来获得所需的毫米波源。由于外形结构要求两路输出 与两路输入均在同一个方向，考虑电路及结构布局安排，设计上采用先将x 频段 的d r o 功分后分别四倍频然后再滤波、放大的方式。 根据倍频理论可知，四倍频后输出射频源的相噪会恶化1 2 d b ( 2 0 l o g n = 2 0 l 0 9 4 = 1 2 d b ，n 为倍频次数，在此n = 4 ) 。由组件的指标要求可知射 频源的相噪为7 5 d b c h z 1 0 k h z ，因此所选x 频段d r o 的相噪应优于 8 7 d b c h z 1 0 k h z ，频率稳定度优于士0 5 k h z o c 。除此指标要求外，还要满足环 境条件要求，由此最终选择南京钟山研究所生产的x 频段d r o ，其工作频率为f o 4 ， 输出功率为1 3 d b m ，相位噪声为9 0 d b c h z 1 0 k h z ，频率稳定度为士o 5 k h z 。c 。 该d r o 能够满足组件对环境条件的需求。 选用h i t t i t e 公司的h m c 2 8 3 来作四倍频器，该器件只有在输入大于1 5 d b m 时 才能有四次倍频输出，而信号由d r o 经功分器后的输出功率为9 d b m ，因此需加 一放大器才能推动倍频器。倍频后的输出功率为4 d b m 。 采用这种源的优点是它的长期频率稳定度与d r o 相同，不足之处是因为采用 了四次倍频和放大，使它的相位噪声随倍频次数n 增大而升高，即输出信噪比降 低2 0 1 9 n d b ，再者出现大量寄生信号，需要依靠频率特性非常尖锐的抑制噪声滤波 器来抑制载频两边的噪声。 为了在微带线上实现具有非常尖锐频率特性的带通滤波器，可以通过在平行 耦合微带线上加t 型结的开路端，来实现阻带的衰减极点，从而提高带通滤波器 的矩形系数。同时也可以通过加载电容，在不改变电路性能的情况下，减小电路 的尺寸。本文提出了几种新型结构的微带带通滤波器，将在第三章专门叙述。 根据系统噪声系数级联公式【”j ： n ：+ 尘丝+ 盟+ - + 丝二!( 2 i ) g a ,g a , g a 2g 缸g 啦g q l 式( 2 1 ) 中n 和g 口分别是第i 级噪声系数和增益。由式( 2 1 ) 可得到重要的结 论：为了使接收前端的总噪声系数小，要求各级电路的噪声系数小，功率增益高。 而各级电路的影响并不相同，级数越靠前，对总噪声系数的影响越大，所以前端 的总噪声系数主要取决于最前面几级。 从天线接收的两路信号分别通过k 接头进入接收支路，经低噪声放大器、功 率合成器、带通滤波器后再混频，最后经低通滤波后输出中频信号。将各级的功 第二章毫米波引信前端收发组件方案 率增益和噪声系数代入式( 2 1 ) ，即可得到接收前端总的噪声 一寿( + 等+ 瓦b p f - - 1 + 瓦n 面m i r - i + 瓦瓦n j l p f - 丽i ) ( 2 2 ) 式中，g t 、g l a 、g b i n 盯、g r b p f 、g | n i x 。分别是k 接头、低噪声放大器、功率 合成器、带通滤波器和混频器的增益，i n a 、虬。岫、j p f 、j 嘶和i 胛分别 是低噪声放大器、功率合成器、带通滤波器、混频器和低通滤波器的噪声系数。 由式( 2 2 ) 可见，毫米波接收前端的总噪声主要由前面三级，即k 接头、低噪 声放大器和功率合成器的性能决定。对于接收支路而言，对其噪声影响最大的是k 接头的损耗、低噪声放大器的噪声系数，因为k 接头和低噪声放大器的噪声系数 将直接带入接收前端。而低噪声放大器除了噪声系数对接收前端的噪声有影响外， 其增益大小还会对后级电路引入系统的噪声有极大影响。如果低噪声放大器的增 益过小，则因后级电路带入系统的全是损耗而造成系统噪声太大，因此需综合考 虑各子电路的指标分配情况，进行合理的子电路选取。设计时选用的k 接头损耗 为- 0 7 d b ，低噪声放大器的噪声系数为2 3 d b ，增益为2 0 d b ，两路功率合成器采用 威尔金森( w i l k s o n ) 功率分配合成器，在毫米波频段的损耗约为4 d b ，微带带通 滤波器的损耗约为2 d b ，混频器的变频损耗为7 d b ，低通滤波器的损耗为。0 5 d b ， 则接收支路的噪声系数理论值约为3 5 6 d b 。而实际应用时，k 接头损耗由于装配 的问题，损耗通常大于l d b ，装配好后的低噪声放大器的噪声系数也会比所用器件 噪声高，毫米波频段的功率合成器的损耗更是常常高达5 d b 以上，因此接收支路 的噪声系数实际值大约会是4 6 d b 。 组件发射部分既包括调幅又包括m 仃调相。因此对于发射支路而言，倍频、 滤波后的信号经过0 - j r 移相器调相、单刀单掷开关调幅，功分器功分后再经驱动 放大器和功率放大器放大后发射出去。 组件要求载波抑制度大于等于2 5 d b 。组件采用0 - 石移相器进行调相，根据调 制信号理论可得理想情况下载波抑制度与0 - 玎移相器的移相误差的关系曲线( 如 图2 - 2 所示) ，可知0 石移相器的移相误差小于6 。时可满足组件要求。但是载波抑 制度不仅仅只和移相器的移相误差有关，还和移相器的寄生调幅以及p i n 管的开 关时间相关，具体分析见第七章。因此综合考虑组件指标及结构要求，对毫米波 0 - a 移相器的设计要求是：体积小、性能可靠，移相误差小于3 0 。可选择方案有两 种：1 、用p i n 管来设计完成0 - 玎移相器；2 、用两个毫米波单刀双掷开关单片来 电子科技大学博士学位论文 完成该0 石移楣器。两种方案各有优缺点，用p i n 管来设计0 - 石移相器，可根据 移相器指标要求选择适当的电路形式来完成，但因为采用人工焊接p i n 管的形式， 引入的寄生参量与每次焊接情况有关，移相器指标与优化结果相差较大，需大量 调试工作，因此不适用于批量生产。用两个毫米波单刀双掷开关单片来完成该0 , r t 移相器的设计，电路形式无法进行选择，只能采用开关线式移相器电路，且电路 设计对单片单刀双掷开关的指标要求较高，尤其是单片单刀双掷开关的驻波比一 定要好，否则会使移相器的技术指标达不到要求。采用开关线式移相器电路的移 相器的损耗约为，4 d b 。 l 移相误差( 度) 图2 - 2 理想情况下载波抑制度与0 - 石移相器的移相误差关系曲线 单刀单掷开关要求实现一4 5 d b 的通断比，选用商用单片单刀单掷开关，开关的 通断比为3 6 d b ，显然只用一个开关达不到系统要求，因此需用两个单刀单掷开关 级联。 组件两路发射功率输出要求大于4 0 0 m w ( 2 6 d b m ) ，考虑到k 接头以及电路安 装、连接的损耗，如果选用大功率放大器放大后再功分的方式，则功率放大器的 输出功率应大于3 2 d b m 。如果选择功分后再放大的方式，则放大器的输出功率至 少要大于2 8 d b m 。究竟是选用大功率输出的功率放大器放大后再功分，还是功分 后再用适当功率输出的功率放大器放大的方式，需要多方面综合考虑。如果采用 放大后再功分的方式，则意味着功分器要在大功率条件下设计，难度太大，且对 鲫 0 暑巡磊霰鲻柩 第二章毫米波引信前端收发组件方案 组件的散热也提出了很高要求。由于组件要求两路发射端的功率不平衡性为1 0 ， 而在毫米波频段，综合考虑功分器在大功率情况下的分配比、k 接头安装的一致 性，获得如此良好的平衡度是很困难的。对于输出功率大于3 2 d b m 的功率放大器， 其动态工作电流为1 3 a ，在7 v 工作电压下，功耗高达9 1 w 。再加上驱动放大器 的功耗1 4 w ( 动态工作电流为o 4 a ，工作电压为3 5 v ) ，共1 0 5 w ，如此高的功 率集中在很小的面积上，散热问题极其棘手，稍有不慎就会使功率放大器被烧毁， 因此放弃该方案而选用先功分再放大的方式。 选用v e l o c i u m 公司的商用功率放大器，该放大器在2 0 d b m 的输入功率下可以 达到3 0 d b m 的饱和输出功率。由此倒推回去，可知驱动放大器的输出应为2 0 d b m 。 选用h i t t i t e 公司的h m c 2 8 3 ，其增益典型值为2 1 d b ，饱和输出功率为2 1 d b m 。由 此可见，驱动放大器的输入功率应为0 d b m 左右才能获得要求的输出功率。由d r o 输出的功率，经过倍频、滤波、调相、调幅后的信号，输出功率约为一8 d b m ，而毫 米波功分器的损耗约为4 d b - - 5 d b ，为了使驱动放大器获得2 0 d b m 的功率输出以 推动功率放大器，需先加一放大器，该放大器的增益至少应大于1 3 d b 。 2 3 2 毫米波引信前端收发组件结构 根据上节所述毫米波引信前端组件设计原则，确定收发组件结构框图如图2 3 所示。 2 3 3 毫米波引信前端收发组件模块设计 随着无线电引信新体制的不断出现和电气性能的不断提高，引信前端收发组 件的可靠性设计和电磁兼容性设计也显得越来越重要，“可靠性主要是设计出来 的，而不是靠实验出来的”已逐渐成为收发组件设计的共识。 在毫米波收发组件的设计中，为了提高可靠性，除了选用各种高集成度的 m m l c 器件来完成各功能模块电路的设计外，还要针对引信前端收发组件的要求， 开展若干基础研究。因此对不同介电常数的复合介质材料的电路工艺要求，包括 微带电路工艺和焊接工艺、微型滤波器技术研究都是十分必要的。这里特别提出 微型滤波器的设计技术。随着m m i c 和h m i c 技术的迅速发展，收发组件研究的 关键已逐渐从关键电路的突破向系统的匹配和滤波方向发展。关于电路与系统的 匹配问题，已有许多优良的c a d 软件可供选择，a g i l e n t 的a d s 就是其中一种。 电子科技大学博士学位论文 r f 输出1 r f 输出2r f 输入l r f 输入2 图2 - 3 收发组件框图 在当前，微型滤波器还远远没有像有源器件那样任由设计师选择。不同频率、不 同带宽和不同特性要求的滤波器的研制已成为收发组件微电子化、模块化的关键。 模块设计要求划分合理，技术指标先进，采用微电子技术，使用方便，易于 维修。本课题研究的毫米波收发组件可按功能划分为源、发射机和接收机三部分， 将其放在腔体的一面，而电源作为单独的部分放在腔体的另一面。 设计时，从组件的结构、电源设置、维修方便及可靠性角度出发，将这三部 第二章毫米波引信前端收发组件方案 分设计为相对独立的功能模块。其中，源模块电路包括由d r o 和隔离器构成的基 源部分，放大器、四倍频器和滤波器构成的发射支路的倍频链，放大器、四倍频 器、滤波器和放大器构成的接收支路的本振倍频链三部分。而接收机模块包括高 频模块和混频模块。高频模块由两个低噪声放大器和功率合成器构成，混频模块 由带通滤波器、混频器和中频滤波器构成。而对发射机模块而言，包括由移相器 构成的0 p 调相模块、单刀单掷开关和放大器构成的调幅放大模块以及由功率分配 器、驱动放大器和功率放大器构成的功率模块。 如此多的功能模块，设计时必须要确保工程上的可靠实用，相互之间的电磁 兼容问题以及系统的稳定性。因此，在器件选择、电路设计、电源设计及电路的 匹配问题方面均应按照组件设计指标及电磁兼容要求严格设计和选择。而腔体结 构设计要根据各模块电路来进行，设计时要使各电路之间形成良好的匹配隔离以 及良好的屏蔽。 2 4 毫米波引信前端收发组件设计中的电磁兼容( e m c ) 问题 随着现代科学技术的发展，电子、电气设备或系统获得了越来越广泛的应用， 运行的电子、电气设备大多伴随着电磁能量的转换，高密度、宽频谱的电磁信号 充满整个人类的生存空间，构成了复杂的电磁环境。在这种复杂的电磁环境中， 如何减少电磁干扰，使组件正常工作，是我们面临的一个新的问题。本文设计的 收发组件，涉及频率跨度大，应用器件众多，为了使其在电磁环境中能够正常工 作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰，必须对收发组件进行电磁 兼容的设计。 在收发组件中，接收机与其它部分比较起来，其对电磁干扰的灵敏度要更大 一些，其原因为：( 1 ) 由于接收机属于高灵敏度电子设备，只要发射机有一点微 小的信号耦合到接收机，就有可能在接收通道中进行变频放大，从而对接收机的 输出端造成干扰。本文研究的收发组件要求球输出噪声电压小于2 m v ，因此需格 外注意电磁干扰问题。( 2 ) 在接收机电路中有多种形式的电路，各种不同电路的复 杂组合、电路之间的耦合和干扰要比同一类型的电路复杂得多。( 3 ) 接收系统是一 种变频系统，不论是接收机还是频率源，在产生各种需要的频率的同时，也会产 生若干不需要的谐波和杂波。如果没有良好的电磁兼容设计，这些不需要的电磁 干扰信号就可能在接收机的输出端产生组合干扰。而对发射机而言，多种形式电 电子科技大学博士学位论文 路的组合也会产生过多的耦合和干扰，从而影响组件性能。由此可见，收发组件 的电磁兼容设计是十分重要的。根据电磁兼容设计的要求和收发组件的特点，本 节着重阐述接收机系统的地线设计、屏蔽设计、滤波设计和电路设计1 3 7 1 。 2 4 1 地线设计 在e m c 设计开始时，首先要进行地线设计。地线设计是解决e m c 问题最有 效和最廉价的方法。设计良好的地线既能提高抗干扰度，又能减小电磁辐射。 接地的含义是为电路或系统提供一个参考的等电位点或等电位面。如果接真 正的大地，则这个参考点和面就是大地电位。接地的另一个含义是为电流提供一 个低阻抗回路，这在高频时更为重要。 由于组件工作在毫米波频段，工作频率高，容易引起无用的信号耦合，要求 接地线短、分布参数小、地电位稳定，应把电路的地线与组件的金属外壳紧密相 连。在高频电路中必须采用多点接地，并且要求每根接地线的长度小于信号波长 的1 1 0 0 ，各线路或部件分别采用最短的接地线并且多处进行接地。在本组件中， 无论是放大器的地线还是其他有源、无源器件的接地部分，在设计地线的时候均 尽量缩短器件引脚到地的距离以减少引线电感，且采用多点接地以减少接地孔处 导电胶柱产生的高频感抗。 2 4 2 屏蔽设计 屏蔽技术用来抑制电磁干扰沿空间的传播，即切断辐射干扰的传播途径。本 文所研究组件的屏蔽主要包括盒体屏蔽和孔缝屏蔽。 盒体屏蔽的屏蔽外壳可起防护作用。当外界干扰磁场作用于壳体表面时，导 电壳体就会产生感应电势并形成涡流电流，涡流会产生磁场。根据电磁感应定律， 这个涡流磁场的方向与干扰磁场的方向相反，由于它对干扰磁场有排斥作用，使 干扰磁场不能进入壳内，起到屏蔽作用。同样，壳内线圈产生的高频磁场也不能 逸出屏蔽壳。所以，涡流是高频磁屏蔽的关键因素，涡流越大屏蔽效果越好，因 此屏蔽体必须用导电良好的材料。由于高频涡流的趋肤效应，它只在屏蔽壳的表 面产生，因此屏蔽材料可以很薄，甚至用金属银镀层就可取得很好的屏蔽效果1 3 s 】。 孔缝屏蔽对盒体屏蔽十分重要。因为实际的盒体有各种必要的穿孔和缝隙， 这些孔洞和缝隙会引起导电的不连续性，产生电磁泄露，使屏蔽效能远低于金属 第二章毫米波引信前端收发组件方案 盒体的理论计算值。因此屏蔽设计的关键就是如何保证屏蔽的完整性，使屏蔽效 能尽量得以恢复到接近理论计算值。实践证明，当孔、缝尺寸等于半波长的整数 倍时，电磁泄漏最大，一般要求缝长或孔径小于x 1 0 2 7 1 0 0 。对毫米波电路而言， 因其波长短，所以对其盒体加工的精度要求就很高，否则会有较大的