（飞行器设计专业论文）综合孔径微波辐射计的模拟乘法器及其外围电路的实现.pdf

摘要 摘要 微波辐射计在微波遥感仪器中占有重要的地位，在遥感、制导和目标特性测 量等方面得到了广泛的应用。二十世纪八十年代初，综合孔径的概念被引入到 微波辐射测量领域用于对地观测。它的基本思想是采用空间频率域的测量代替传 统辐射计对空间域的直接测量。具体来说就是利用具有不同基线长度和方向的二 元干涉仪进行空间频率域的采样，然后再经过反演算法获得空间图像。由于二元 干涉仪中的单元天线可以被不同的基线共用多次且单元天线孔径很小，因此较 大的天线物理孔径就可以被稀疏为许多小单元天线，同时利用电扫描代替了机械 扫描，便于星载实现。 本文介绍了综合孔径微波辐射计的原理、系统结构，对其模拟乘法器及其外 围电路进行了研究；在分析的基础上，设计了模拟复相关器的模拟乘法单元，并 基于软件m u l t i s i m 设计了其外围电路四阶巴特沃斯低通滤波器，通过对电 路仿真结果和实际电路调试结果的比较，验证了滤波电路仿真结果的正确性：另 外，对影响相关结果的误差进行了分析：最后，对整体电路进行了调试，调试结 果满足设计要求。 关键词：微波辐射计综合孔径模拟乘法器电路仿真 a b s 打a c t a b s t r a c t t h em i c r o w a v er a d i o m e t e ro c c u p i e so nt h ei m p o r t a n ts t a t u si nt h e m i c r o w a v er e m o t es e n s i n gi n s t r u m e n t s ，i ti su s e dw i d e l y ，s u c ha sr e m o t e s e n s i n g 、g u i d e n c e 、t a r g e tc h a r a c t e r i s t i cd e t e c ta n d s oo n a tt h e b e g i n n i n go f1 9 8 0 s ，t h es y n t h e t i ca p e r t u r ec o n c e p ti si n t r o d u c e dt o t h er e m o t es e n s i n ga n du s e dt oo b s e r v et h ee a r t h i t sb a s i cc o n c e p t i st h a tm e a s u r ei nt h es p a t i a lf r e q u e n c yd o m a i ni n s t e a do fm e a s u r e i nt h es p a t i a ld o m a i nw i t ht h et r a d i t i o n a lr a f l i o m e t e r i ta p p l i e st w o e l e m e n ti n t e r f e r o m e t e r st h a t a r ed i f f e r e n ti nt h el e n g t ha n d o r i e n t a t i o no ft h eb a s e l i n et os a m p l ei nt h es p a t i a lf r e q u e n c yd o m a i n ， a n dr e t r i e v et h ei m a g eb yi n v e r s ea l g o r i t h m b e c a u s et h ec e l l a n t e n n ao ft h ei n t e r f e r o m e t e r sc a nb eu s e dm a n yt i m e sb yd i f f e r e n t b a s e l i n e s ，a n di t sr a d i u si sv e r ys m a l l ，s ot h el a r g ea n t e n n ai np h y s i c s a p e r t u r ec a nb ed i s p e r s e di n t o c e l la n t e n n aa r r a y a n dw i t ht h e e l e c t r i c a l s c a n n i n gi n s t e a do ft h em e c h a n i c a ls c a n n i n g s o i t i s e a s yt ob el a u n c h e da n dc a r r i e di ns p a c e t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e sa n ds y s t e ms t r u c t u r eo f s y n t h e t i ca p e r t u r er a d i o m e t e r i nt h e o r y ，a n a l o gm u l t i p l i e ra n d s u r r o u n d i n gc i r c u i t si n c l u d i n gaf o u ro r d e rb u t t e r w o r t hl o wp a s s f i t e rb a s e do nm u l t i s i ms o f t w a r ei sd e s i g n e d p e r f o r m a n c eo ft h e c i r c u i t si sc o n s i s t e n tw i t ht h es i m u l a t i o n s f u r t h e r m o r e ，e r r o r s i n t r o d u c e db yc o r r e l a t o ra r ea n a l y e d t h ew h o l ec i r c u i t sa r ed e b u g g e d a n dt h er e s u l t sa r ei na c c o r dw i t hd e m a n d k e y w o r d s ：m i c r o w a v er a d i o m e t e rs y n t h e t i ca p e r t u r ea n a l o g m u l t i p h e r c i r c u i ts i m u l a t i o n l i 第一章绪论 第一章绪论 。1 微波i 鬟麒的原理及其发展 遥感就是遥远的感知，从字面上理解，就是远距离不接触物体而获得其信息。 它通过遥感器菲臻簸逢采集茸标对象斡数攒，著逶避对鼗瓣静分析泉获取有关逢 物翻标、或地区、簸现象的信息。遥感分为可见光反射红外遥感、热红外趱感、 微波遥感三种类型。微波避感，是指通过接收地面物体发射的微波辐射能墩，或 接收遥感仪器本身发出的电磁波柬驰回波髅号，对锈蒋进行攘测、识别郓分辑。 微波遥感一般分为被动与主动两类，被动微波遥感疑用仪器接收自然物体和人工 穆然塞赛掰发射豹微波，囊予苓霹瓣携震掰发袈静徽波是零一样豹，因毙霹叛撮 据它们的特征来识别物体的特性：搬动微波遥感是用人工方法向目标物发射某一 波长静徽波瀑号，溺仪器羧投鑫标锈反射静鼙渡，穰据它翻芨莉酲潦的镦液特征 不问，来识别物体。微波遥感所使用的遥感器，也分为被动、主动濒神，微波辐 射计是被动微波遥感器，合成孔径谮达、雷达高度计、散射计是主渤微波传感器 t 【l o 微波遥感的发展可以遗溯到2 0 世纪5 0 年代早期，由予军事侦察的需求，荚 晷攀方发袋了测援糗载霉达。鞋嚣，铡援瓤载霉达逐步曩予l 军事领域，成为获 取自然资源与环境数据的有力工具。1 9 7 8 雄美国发射的s e a s a t 海洋卫星以及以 后发射熬靛天飞梳成像雷迭诗麓、潞苏联笈瓣静c o s m o s - 1 8 7 0 ，标淼着靛天雷达 遥感的开始。2 0 世纪9 0 年代以来，各国相继发射了一系列的星载荫达，如前苏 联携a l m a z l 、欧空髑的e r s l 、醑本的3 e r s l 以及加拿太的r a d a r s a t 等，微 波避感褥到了很大的发展n ，。 目前，微波遥感的发展趋势为多极化披术、多波段技术和多工作模式。 1 2 徽滚辍射计鹩特点 微波辍射诗是童撵在微波波段熬无源瀵感绩感器，是微波遥感中最基本驰转 感器之一。微波辐射计本身不发射微波信号，只是被动地接收目标投环境发射的 陡撬微波臻声。当徽渡辐麓诗藜天线主波窳揍囱基檬露，必线接羧鞠嚣标辐射、 目标散射和传播介质辐射答辐射能艇，引起天线亮濑的变化。天线接收的信号经 综合孔径微波辐射汁的模拟乘法器及其外围电路的实现 过放大、滤波、检波和再放大后，以电压的形式给出。对微波辐射计的输出电压 进行亮温绝对定标，即建立输出电压与天线视在亮温的关系之后，就可确定天线 视在亮温，也就可以确定所观测目标的亮温。该亮温值就包含了辐射体和传播介 质的一些物理信息，通过反演就可以了解被探测目标的一些物理特性。实际目标 发射的微波噪声功率是相当微弱的，一般在1 0 。1 0 1 瓦米2 量级，它甚至比辐射 计本机噪声还要小一至几个数量级，因此，微波辐射计是用来接收和记录微弱随 机微波噪声的高灵敏度接收机。 微波辐射计具有以下特点。“”： 1 因为微波具有一定的穿透地物表面的能力，所以可以进行浅表层观测； 2 在厘米波长以下的微波波段具有穿透云层的能力，可以进行全天候观测： 3 可以利用微波的极化、相干等特性进行灵活的信号处理，获取更多的信 息，提高系统的性能： 4 微波波段的电磁波具有与大多数自然和人工目标的结构尺寸相匹配的波 长，适于进行这些结构参数的遥感测量： 5 提供与可见光、红外遥感和主动微波遥感不同的关于目标物性参数的信 息，是进行完整地物特性测量不可缺少的组成部分： 6 与有源微波遥感相比，重量轻、体积小、功耗小，特别适于星载。 1 3 综合孔径微波辐射计的提出 传统的微渡辐射计由于其遥感机制的固有特点，空间分辨率受到物理孔径以 及波束驻留时间的限制，使得星载系统的地面分辨率一般只有几十到几百公里的 数量级。要发挥无源微波遥感的全部潜力，就要求有相当大的天线，这是因为微 波波段的波长要长得多，特别是在微波频率的低端。例如，为获取全球土壤含水 量分布图的最佳测量频率1 4 g h z ，如果要求其空间分辨率为l o k m ，则对于位于 8 2 4 k m 轨道高度的地球观测卫星e o s ( e a r t ho b s e r v a t i o ns a t e l l i t e ) 而言，其 天线直径约需2 0 m ，这在空间应用中将是一个难题。而且其辐射亮温测量灵敏度 和空间分辨率之间还存在着制约，也即当空间分辨率高时，这时瞬时视场将变小， 由于卫星飞行速度一定，此时为了成像进行扫描时。波束在每一个像元的驻留时 间就得减少，因此对每一个像元的积分时间就会下降，因而就影响了辐射亮温的 测量灵敏度。 第一章绪论 针对传统微波辐射计的局限性，如何提高星载被动微波辐射计的空间分辨率 成为微波遥感领域的一个热点问题。为提高被动微波遥感器的空间分辨率，就必 须增大天线口径的电尺寸，增大天线电尺寸的途径只有两个：增大天线口径的物 理尺寸和提高遥感器的工作频率，减小波长。对于某些必须工作在特定频率的应 用来说，微波辐射计要提高空间分辨率，就必须设法增大其物理口径。为了避免 物理口径增大引起的重量增加和大口径天线机械扫描的困难，人们研究了利用小 口径天线合成大的观测口径的技术，发展了综合孔径微波辐射计，成为提高被动 微波遥感空间分辨率的一个新的技术发展方向。综合孔径技术来源于射电天文领 域，1 9 5 0 1 9 6 0 年代天文学家们首先将这项技术应用于提高射电天文望远镜的角 分辨率，取得了很好的效果。 1 4 综台孔径微波辐射计系统的发展 从2 0 世纪8 0 年代末e s t a r 研制成功开始，美国和欧洲的几个微波遥感主要研 制单位就开始了大量的探索性的工作。经过近2 0 年的发展，目前的综合孔径微波 辐射计主要分为一维和二维两大类，一维综合孔径微波辐射计一般采用杆状天线 组成稀疏天线阵列，在顺轨方向利用杆状天线的真实窄波束实现所需的分辨率， 而在交轨方向采用综合孔径技术获得所需的窄波束，因此一维系统实际上是一个 综合孑l 径一真实孔径混和成像系统；二维综合孔径微波辐射计在顺轨和交轨方向 均是采用综合孔径技术来实现获取高空间分辨率所需的窄波束，与一维系统不 同，二维综合孔径辐射计在二维孔径平面上实现天线阵列的有效稀疏，最大限度 地发挥了综合孔径技术的优越性。 目前国外已有的综合孔径微波辐射计系统如下： 1 e s t a r e s t a r 是世界上第一台采用综合孔径技术的机载微波辐射计。e s t a r 工作在l 波段( 1 4 g h z ) ，是一个5 单元7 基线的一维系统，角分辨率约为8 。，系统中的复 相关单元采用了模拟复相关器。该系统由美国马塞诸萨大学( u m a s s ) 在n a s a 的支 持下于1 9 8 9 年研制成功，并在9 0 年代作了许多机载试验( w a s h i t a 9 2 ，w a s h i t a 9 4 ， s g p 9 7 ，s g p 9 9 等) ，获取了大量的试验数据，并对土壤湿度、海水含盐度等参数 做了反演，强有力地验证了综合孔径技术应用于被动微波遥感的可行性与先进 性。e s t a r 是目前较为成熟的综合孔径微波辐射计之一。 综合孔径微波辐射计的模拟乘法器及其外围电路的实现 2 s m o s ( m i r a s ) m i r a s 的概念是1 9 9 4 年由欧空局提出的，并于1 9 9 8 年被确定为欧空局s m o s 计划的主载荷。m i r a s 是典型的二维综合孔径微波辐射计，也工作在l 波段( 1 4 g h z ) ，采用y 型天线阵列稀疏方案。整个系统含6 9 个天线及接收机单元，以及约 5 0 0 0 个数字相关器，是目前复杂程度最高的综合孔径辐射计系统。8 m 0 8 卫星目前 已进入工程研制阶段，预计2 0 0 7 年发射。 3 2 d - s t a r 2 d s t a r 是一个试验性质的l 波段二维机载综合孔径辐射计系统，可以看作是 e s t a r 的下一代系统，只是系统采用了数字复相关器来代替模拟复相关器。 2 d - s t a r 在1 9 9 9 年获得n a s ai n s t r u m e n ti n c u b a t o rpr o g r a m ( i i p ) 的资助，由马 塞诸萨大学和n a s a 戈达德空间飞行中心于2 0 0 2 年研制完成，2 0 0 3 年进行了首次校 飞试验。 4 g e o s t a r g e o s t a r 是2 0 0 2 年n a s a 的i i p 项目资助的一个地球静止轨道星载毫米波综合孔 径辐射计计i 扫j p l ( j e tp r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ) 实验室研制，目前处于实验室 原型机研制阶段，预计在2 0 0 5 年完成原型机的研制。g e o s t a r 是在毫米波段( 5 0 g h z ) 采用二维综合孔径技术，面向气象应用，实现高空问分辨率、全天候的大气 温度及湿度探测，系统中也采用了数字复相关器。 5 h u t 2 d h u t - 2 d 是由芬兰赫尔辛基技术大学( h u t ) 研制的l 波段二维机载综合孔径微 波辐射计，采用u 型天线阵列稀疏方案( 在结构上有利于和h u t 原有的机载辐射计 系统h u t r a d 同时工作) 。该系统为3 6 单元4 4 1 基线，约为2 7 0 0 个数字复相关器。从 1 9 9 7 年开始研制，1 9 9 9 年完成了一个4 单元的原型机，最新的机载系统及其校飞 试验的情况尚未见公开发表。 国内的研究工作起步于2 0 世纪9 0 年代中期。1 9 9 9 2 0 0 1 年期间，中科院空间中 心国家8 6 3 计划微波遥感技术实验室在8 6 3 2 的支持下研制了一台6 单元、4 。角分 辨率的c 波段一维综合孔径微波辐射计样机，该系统采用了模拟复相关器，并于 2 0 0 1 年4 月机载校飞成功。在接下来的2 0 0 1 2 0 0 4 年，空间中心研制了一台8 单元2 度角分辨率的x 波段一维综合孔径微波辐射计，该系统采用了模拟与数字相关器 4 第一章绪论 两套方案，并于2 0 0 4 年4 月并通过校飞试验成功，获取了高空间分辨率的机载 微波辐射图像。 1 5 本文的贡献及章节安排 本文对综合孔径微波辐射计的原理、系统结构进行了说明；在理论研究的基 础上，对其复相关器单元电路模拟乘法器及其外围电路进行了方案的调研、 电路的设计、仿真、制板和调试：对影响复相关结果的误差因素进行了深入的分 析；对电路的调试结果进行了分析，证明了所设计的模拟乘法器及其外围电路的 正确性。 本文的内容结构大概安排如下： 第一章简单介绍了微波遥感技术原理、发展及微波遥感器的分类，分析了微 波辐射计的工作原理及特点，并介绍了综合孔径微波辐射计的高空间分辨率的特 点及其系统的发展。 第二章介绍了综合孔径微波辐射计的基本单元二元干涉仪的基本原理， 简要介绍了其系统结构，并重点介绍了模拟复相关单元电路结构，明确了模拟乘 法器及其外围电路( 积分电路、视放电路) 在模拟复相关单元电路中的作用。 第三章根据模拟复相关单元电路的技术指标要求，进行了模拟乘法器芯片的 选型、基本电路的实现，i v 转换、增益调节、低通滤波电路的实现。并利用电 路仿真软件对设计的四阶巴特沃斯低通滤波电路进行了仿真；完成了印制板的设 计、加工。 第四章具体介绍了电路存在的各种误差对复相关结果造成的影响。 第五章对低通滤波器和整体电路进行了调试。通过对调试数据进行分析，验 证了电路的性能符合要求。 第六章对本文的工作加以总结，并对存在的不足进行了说明。 综合孔径微波辐射计的模拟乘法器及其外围电路的实现 第二章综合子l 径微波辐射计的基本原理与系统结构 2 1 综合孔径技术概述 综合孔径微波辐射计是综合孔径射电天文望远镜在对地观测领域的应用和 发展。微波辐射计的综合孔径技术，是根据将一个大口径天线等效分割成若干个 小口径天线的思想，通过基线( 两个天线的间距矢量) 设计和组合干涉测量得到 所有的小口径天线组合，并通过对这些干涉测量结果的反演得到与大口径天线相 同的观测分辨率。如果将这些小孔径天线放在大孔径的相应位置，并把它们接收 到的信号相干叠加，就能得到大孔径天线相同的接收效果。如果被观测的目标在 观测过程中没有时间变化，大孔径天线的输出只需用两个小孔径天线在不同位置 上进行分时干涉测量，并将干涉结果相干叠加，就能达到与大孔径天线相同的测 量结果6 1 ”。 2 2 二元干涉原理嘲1 综合孔径微波辐射计的基本单元是二元干涉仪，测量的目的主要是为了获得 两个接收天线的干涉输出，干涉测量是通过复相关器实现的，因此复相关器是综 合孔径微波辐射计的核心部件。 二元干涉仪基本原理如图2 1 所示，两个天线共享一个视场，为简单起见， 假设两个天线基线距离为d ，并沿z 方向，即令= 0 ，考虑一个视场内的点源， 其辐射亮温为丁。p ) 。信号在r 时刻到达天线l ，到达天线2 所需时间比1 长 d s i n 钐，d 是两个天线之间的基线距离，c 是光速。入射到天线1 、2 的信号可 以表示为 6 第二章综合孔径微波辐射计的基本原理与系统结构 ，旧l n d j v , ( ) - - k p ，o p , ( o ) e - 脚d o ( 2 1 ) v 2 ( f ) = 飘以卜_ d s i n o j 、删) “吲拶( 2 2 ) 。p ) 是接收天线终端的信号的电压值，此电压值与点源的辐射亮温、角度口有 关。只p ) 、p ：p ) 分别是天线1 、2 在口方向的方向图函数。 当以上两个信号到达一个复相关器时，则有： 以，：0 ) = ( v ( f ) ，( f ) ) = 萋萋( 讹慨( 以卜半) ) x p l ( o ) p ：( o 谢半删眩。， 综合孔径微波辐射计的模拟乘法器及t 外嗣电路的实现 f 是x 的复共轭。当0 0 时，。p ，t ) - - 与y r b ( o ，f ) 是统计独立的，它们来源 于独立的热源而且均值为零，其乘积的期望值为零，双积分变为单积分，由于 ( 诧p ，f l 。p ，f ) ) 是信号的功率，它与目标的亮温成正比，这里假设比例因子为 1 ，则有： 玑：p ) ：。“2 诧 吐慨f ) ) 尸l 【州只例一d s 。i n o 卯 ：钰。p ) p ：p ) r p ) m _ r i s i - n g 棚 ( 2 4 ) 将( 2 4 ) 式分为同相u ) 和正交 ) 两部分： n p ) = 孵帆：例 = p ) p ) r c o s ( ! 警户口 c z s ) v 。p ) = 3 扩啦0 ) = 一怫i n 卜半d s i n o ) d p 眩e ， = 弦。p ) 尸p ) 只p ) s i n 卜_ - p ( 2 6 ) 一 、 。 7 如果天线l 、2 的方向图函数只p ) 和p 2 p ) 是各向同t t 的，即 只p ) = 只p ) = 1 ，则有 刖，= 炳( 国半卜 眨， m = 舯( 国半) 抬 他s ， 由式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 可知，v ，( d ) ，v 口( d ) 分别是亮温丁。( 口) 的傅立叶变换的实 部与虚部，即可见度函数矿。：( j ) 与亮温丁口( 口) 之间是一对傅立叶变换关系。 当天线对的基线距离为必的整数倍时，b l l d = ”，式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 变为： v ，0 ) = j t 。p ) c o s ( n ，r s i n o ) d o ( 2 9 ) 第二章综合孔径微波辐射计的基本原理与系统结构 v ，o ) = 口。p ) s i nm rs i n e ) a e 一 则亮温丁。p ) 由下面的傅立叶级数表示： ( 2 1 0 ) t 。p ) = 矿如) c o s o x s i n 日) + 矿口( n ) s i n ( n 7 r s i n 0 ) ( 2 1 1 ) 其中= 0 , 1 ，2 n ，n 对应于最大天线间隔。 综上所述，二元干涉仪的瞬时输出是被观测的发射源相对于视在基线( 基线 在被观测的地表水平面上的投影) 的亮温分布的傅立叶变换，称之为可见度函数 ( 即上面的v ，( d ) ) ，亮温分布图像可以通过可见度函数测量结果的反傅立叶 变换( 或其他反演算法) 获得。进行成像变换所需要的可见度函数，即具有不同 基线参数的可见度函数分量的获得可以通过不同基线组合或者基线的运动( 对应 基线投影的变化) 来实现。综合孔径微波辐射计的空间分辨率决定于干涉测量的 最大基线长度，综合孔径微波辐射计干涉基线组合的要求必须满足反演亮温分布 所要求的可见度函数分量的要求。 2 3 综合孔径微波辐射计的系统结构 综合孔径微波辐射计的系统按功能不同，可分为接收天线、射频前端、中频 复相关处理单元、积分视放单元和数控和计算机单元四大部分，如图2 2 所示： 9 综合孔径微波辐射计的模拟乘法器及牡外围电路的实现 图2 2 一个双通道接收机的硬件框图 中频复相关处理单元是整个接收机的核心部分，它主要由中频放大器、同相 正交功分器、乘法器、积分器和直流放大器组成，而乘法器是相关处理的关键 元件。 理论上讲，数字复相关器将模拟信号进行了量化，具有量化误差，其精度极 限是理想模拟复相关器的精度，因此，模拟复相关器的灵敏度高于数字复相关器。 模拟复相关器比数字复相关器更适合于系统电路为高速或带宽很宽的电路。 由于模拟复相关器单元由一对乘法器组成，对于6 个天线单元的最小冗余设 计来说，需要1 4 个复相关器单元，即2 8 个乘法器；对于8 个天线单元的最小冗余 设计来说，需要2 3 个复相关器单元，即4 6 个乘法器。用模拟部件实现时，其体积、 1 0 第二章综台孔径微波辐射计的基本原理与系统结构 重量和复杂程度都随天线单元数目的增加而指数增加，每个乘法器的输出对 应一个积分视放单元，因此积分视放单元的数目也是十分惊人的。可见，模拟复 相关器需要占用的体积、重量和功耗都是惊人的，而且会导致复相关器系统的复 杂性极大地增加。由于模拟相关器产生的上述问题，给综合孔径微波辐射计的星 载应用带来很大困难。因此在天线阵列较多时，利用超大规模集成电路l s i j 技 术的数字复相关器系统就显示出其优越性。 由于要设计的复相关器的综合孔径微波辐射计系统较小( 需要2 0 个复相关 器) ，因此选用精度比较高的模拟电路来实现其复相关器。 图2 3 是模拟复相关器的基本框图： 赛自= 个通道 来自另个通 的中频信号道酌中频宿萼 积分器 运放+ 射极跟随嚣 图2 3 模拟复相关器的结构框图 由图2 3 可知，模拟复相关器由功分器单元、模拟乘法单元和其外围电路三 部分组成。天线阵列中各单元接收的地物辐射信号，与公共本振分别混频，变为 中频信号后馈入复相关器。中频信号经过功分器组，得到复中频信号。然后复中 频信号按照不同的基线长度与其他单元接收机的复中频信号分别进行复相关处 理。复相关单元输出信号经过放大滤波后，得到可见度函数的实部与虚部。 综合孔径微波辐射计的模拟乘法器及萁外围电路的实现 第三章综合子l 径微波辐射计模拟乘法器及其外围电路的设计 3 1 模拟乘法器及其外围电路的技术指标 模拟乘法器及其外围电路是模拟复相关器的一部分，模拟复相关器的技术指 标中与模拟乘法器及其外围电路有关的如下： 频率和带宽： 1 2 2 _ + 1 2 5 姗z 输入功率：l o d b m 低频截止频率： 2 0 h z 运放输入失调电压： l o o m v 运放输出电压摆幅： l o v 输出电压： - - s v + 5 v 工作温度范围： - - 2 0 。- 4 - 5 0 。 电源电压： 1 2 v 根据上面的技术指标，下面分别对各单元电路进行设计。 3 2 模拟乘法器概述及其芯片选型“嘲“3 1 模拟乘法器是一种完成两个模拟信号相乘的电子器件，乘法器的电路符号如 图3 1 所示： x y z 图3 1 乘法器的电路符号 它有两个输入端x 、y 和一个输出端z 。输入和输出信号可以是连续的电流 信号，也可以是连续的电压信号。对于理想的电压乘法器，其输出特性可用下式 表示： y 。( f ) = k v ，0 ) y y ( f ) ( 3 1 ) 第三章综合孔径微波辐射计模拟乘法器及其外围电路的设计 其中v 。( f ) ，v ，( f ) 是在x 和y 端所加的输入模拟电压，v 。( f ) 是输出电压，k 是增益因子，k 的大小由乘法器的输入和输出范围决定。模拟乘法器有单象限乘 法器、二象限乘法器和四象限乘法器之分。两个输入信号均可正可负的乘法器叫 四象限乘法器，一个输入信号可正可负，另一个输入信号只能单极性，即只能加 正或负的乘法器叫二象限乘法器，两个输入信号都限于单极性的乘法器叫单象限 乘法器。在实际生活中，乘法器常常隐藏于其他一些模拟电路中，如调制解调、 相位检测器、可变增益放大器、模数变换器等。只是在6 0 年代末，人们才开始 制作单一的乘法器，成为模拟电路中的一个基础电路。当时，多数模拟乘法器为 分立器件式和混合集成式。到7 0 年代初，多为单片双极集成电路，到7 0 年代末 和8 0 年代初，人们又开始了m o s 乘法器的研究。实现模拟乘法器运算的方法很 多，其中最普遍使用的有霍尔效应、磁阻、变跨导、四分之一平方、脉冲高宽 调制、三角波平均( 或时间分割) 、对数和等方法。此外，还有a d a 转换和电 流分配等方法。但并不是所有这些电路都能进行单片集成的，般使用三角波平 均、变跨导、电流分配等原理的乘法器进行集成，而四分之一平方和对数乘法器 多数为分立形式。下面对以上几种乘法器的原理简要介绍一下： 1 霍尔效应乘法器 霍尔效应乘法器的工作原理是导体两端的电压与通过导体的电流和导体的 外磁场强度成正比，霍尔效应乘法器的一个输入端供给通过霍尔元件的电流，另 一个输入端供给电流通过一个线圈产生磁场，器件的输出电压与两个输入电流的 乘积成正比。此乘法器的优点是成本低、体积小，适合于简单的单频应用，在电 路中应用的主要缺点是带宽窄、阻抗和电压较高，多数电路中都需要一个输入缓 冲放大器。 2 磁阻乘法器 磁阻乘法器的工作原理与霍尔效应乘法器类似。它基本上是一个由对磁阻量 敏感的电阻构成的单臂电桥。乘法器的两个输入变量就是线圈中产生磁阻量的电 流和电桥两端的电压。电桥的输出与两个输入信号的乘积成正比。此乘法器的主 要优点是它的电压和电流可与集成电路和晶体管完全兼容，可制作成封装式器 件，其主要规范可与半导体乘法器相比。其缺点是一个输入端( 电感) 的频率响 应较差。 综合孔径微波辐射汁的模拟乘法器及扎外围电路的实现 3 对数和乘法器 对数和乘法器应用普通计算尺的工作原理，即册7 = a n t i l o g ( i o g x4 - l o g y ) ， 电路将两个数的对数和送入反对数放大器，其输出即为所求的乘积。这种电路只 能对正电压信号进行乘法运算，只适合一象限，其主要优点是动态范围宽，带宽 宽，缺点是对温度敏感，精度差。 4 四分之一平方乘法器 此乘法器的原理是取两个输入电压之和的平方，减去两个输入电压之差的平 方，再乘以1 4 获得所需要的乘积，胛= l 4 陋+ y ) 2 一( x y ) 2 ) 。此乘法器的 优点是精度高和带宽宽，缺点是温度漂移大、动态范围小，电路复杂和成本高。 5 变跨导乘法器 变跨导乘法器是利用差分放大器晶体管中的电流与输入电压之间的关系工 作的，此电路结构最适宜集成，发展很快。此乘法器拥有很宽的带宽，而且四象 限电路并不比一、二象限乘法器复杂多少，精度很高，缺点是噪声大，温度稳定 性差。 目前主要集中于用c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r 互补 m o s 电路) 来设计四象限的模拟乘法器，且设计的乘法器都能实现良好的线性、 较小的运算误差、大的动态范围和低的工作电压，有的还具有模数输出功能。 现在的模拟乘法器芯片性能已经相当好，很多型号都具有很宽的带宽( 实用 于r f ) 、很高的线性度、很高的温度稳定性、很宽的输入范围、很好的可调节性 和很低的工作电压和功耗。 结合综合孔径辐射计的实际情况，选择模拟乘法器芯片应考虑以下几个因素： 1 乘法器的带宽应满足技术指标的要求； 2 乘法器的两个输入是同量级的信号，因此不能选用混频器型的乘法器； 3 微波辐射测量的信号是物体与分子热运动有关的热电磁辐射，这种信号是 一种随机噪声，其相位差在0 0 3 6 0 0 范围之间随机变化，因此必须选用四象限乘 法器： 4 矿，矿。均为直流电压量，如果乘法器的直流偏置电压很大将对相关结果 造成很大影响，因此必须选用直流偏置电压小的乘法器； 1 4 第三章综合孔径微波辐射计模拟乘法器及其外围电路的设计 5 系统整机的体积和重量应尽量减小，所以要求模拟复相关器集成化，从而 要求乘法器芯片面积要小： 6 整机功耗要少，所以乘法器的静态功耗要很小； 7 模拟复相关器的最终输出信号为直流电压，所以要求乘法器的输出为电 流的要转换为电压； 8 为了减小误差，要求乘法器的线性度要好。 进行芯片特性调研以后，下面三种芯片基本都符合以上要求： 1 a d i ( 美国模拟器件公司) 的产品a d 8 3 4 芯片。“： 1 2 - v s舵 图3 2a d 8 3 4 芯片的结构框图 a d 8 3 4 是美国a d i 公司推出的宽频带、四象限、高性能乘法器，是此前所有 模拟乘法器所无法相比的，同时，a d 8 3 4 也是目前速度最快的四象限模拟乘法器 芯片之一。它将所有电路集成于一块芯片之中，使得a d 8 3 4 具有极高的速度。 a d 8 3 4 获得很高的速度，并不以牺牲精确度为代价。在乘法器工作模式中，其总 的满幅度误差为0 5 。a d 8 3 4 具有极低的信号失真( 输入端信号失真小于一6 0 d b ) 、 信号馈通( 2 0 m h z 时的典型值为- 6 5 d b ) 和相位误差( 5 m h z 时的典型值为0 0 8 0 ) ， 且a d 8 3 4 芯片参数对温度和供电电压变化不太敏感。 a d 8 3 4 芯片的主要特性如下： ( 1 ) 带符号差分输入方式，输出按四象限乘法结果表示：输出端为集电极 开路差分电流结构，可以保证宽频率响应特性；当两个输入为x = y = i v 时，输 综台孔径微波辐射计的模拟乘法器及其外围电路的实现 出电流为4 m a ； ( 2 ) 频率响应范围为d c 大于5 0 0 m h z ： ( 3 ) 工作稳定，受温度、电源电压波动的影响小： ( 4 ) 低失真，在输入为o d b 时，失真小于0 0 5 ； ( 5 ) 低功耗，在5 v 供电条件下，功耗为2 8 0 r o w ； ( 6 ) 对直通信号的衰减大于6 5 d b ： ( 7 ) 采用8 脚d i p 和s o i c 封装形式。 芯片各引脚功能说明： ( 1 ) 引脚l 、2 为信号y 的差分输入脚，满幅度输入为i v ； ( 2 ) 引脚3 、6 为电源供电引脚，输入电压为4 9 v ，典型值为5 v ： ( 3 ) 引脚4 、5 为信号w 的差分输出脚，满幅度输出为4 m a ； ( 4 ) 引脚7 、8 为信号x 的差分输入脚，满幅度输入为i v 。 在芯片内部，输入电压先转换为差分电流( v i 转换电阻约为2 8 0 q ) ，目的 是降低噪声和漂移；然而，输入电压较低时将导致v i 转换线性度变差，为此芯 片内含有失真校正电路，以改善小信号v - i 转换时的线性特性。电流放大器用于 对乘法运算电路输出的电流进行放大，然后以差分电流形式输出。a d 8 3 4 的传递 函数为：w = 4 x y ( x 、y 的单位为伏特，w 的单位为m a ) 。 2 a d i 的产品a d 8 3 5 芯片“： 譬i 甚2 y i y 2 图3 3a d 8 3 5 芯片的结构框图 a d 8 3 5 要求很少的外围电路，其基本的传递函数为w x y u + z ( w 的单位是v ) ， 1 6 第三章综合孔径微波辐射计模拟乘法器及j t ：外ml i 三路的设计 其中u 是为了实现超低噪声而设计的参数，因此可以外接电路使乘法器的增 益因子改变。a d 8 3 5 是一个四象限电压输出的模拟乘法器，其3 d b 带宽为2 5 0 m h z ， 具有很低的噪声( 5 0 n v 船) ，它的差分输入端x 、y 和加法输入端z 都具有很 高的输入电阻( 1 0 0 k f l | 1 2 p f ) ，而它的输出端电阻很低，因此外接电阻可以很小。 正常供电电压为5 v ，x 、y 的满幅度输入为i v ，具有p d i p 和s o i c 的封装形式。 3 i n t e r s i l ( 英赛尔) 公司的产品e l 4 0 8 3 芯片“： 珏辅1 g n d2 i y 赣 3 v e e 4 t 雨输出 6 v c c 5 1 ) 吖输出 图3 4e l 4 0 8 3 芯片的结构框图 此芯片是一个四象限电流型模拟乘法器，其输入输出均为电流模式，3 d b 带 宽为2 0 0 卅i z ，高速( 建立时间是1 2 n s ) ，很低的失真、噪声，宽的供电电压范围 ( 5 到1 5 v ) ，其传递函数为( i x y 一x y ) = k ( i x x i y ) i z ，i z 是偏置电流，其大 小可以由外电路来改变，而i z 的改变相当于乘法器增益因子的改变，因此乘法 器的增益是可以通过外电路来改变的。 比较以上三个芯片的参数： 综合孔径微波辐射计的模拟乘法器及其外围电路的实现 表l a d 8 3 4a d 8 3 5e l 4 0 8 3 3 ( 1 1 3 带宽5 0 0 删z 以上典型值为2 5 0 m h z典型值2 2 5 删z 最大总静态误差 2 未知 2 最大线性度 1 1 o 5 x 端直流馈通 0 3 o 5 1 _ 6 y 端直流馈通 o 2 0 1 1 6 输入失调电压 3 m v 2 0 m v4 m y 输入端非线性失真 0 5 0 5 o 6 差分输入阻抗， 2 5 k q1 0 0k q未知 x 端增益误差 未知o 3 0 2 y 端增益误差 未知0 1 0 1 7 x 相位误差未知 o 2 。o 5 。 y 相位误差未知 0 1 。0 5 。 由表l 可知，a d 8 3 4 的输入失调电压( 当乘法器的输入端接地时，为使输出 端电压为零而在输入端所加的电压) 要比a d 8 3 5 小的多，且x 端、y 端馈通比 e l 4 0 8 3 小的多，因此用a d 8 3 4 芯片来实现模拟乘法器是最佳选择。 3 3 模拟乘法器电路的设计 利用a d 8 3 4 芯片搭建乘法电路时应考虑如下问题： 1 输入端连接 尽管a d 8 3 4 的输入电阻较高( 2 0 kq ) ，但输入端仍有4 5ua 的偏置电流。当 输入采用单端方式时，假如信号源的内阻为5 0 q ，就会在输入端产生1 1 2 5 m v 的失调电压。为消除该失调电压，可在另一输入端到地之间接一个与信号源内阻 等值的电阻，或加一个大小、极性可调的直流电压，以使差分输入端的静态电压 相等；此外，在单端输入方式下，最好使用远离输出端的x 。、y 。作为输入端，以 减小输入直接耦合到输出的直通分量。 第三章综合孔径微波辐射计模拟乘法器及芤外围电路的设计 由于综合孔径微波辐射计的乘法单元电路最终输出为5 v 电压，1 1 2 5 m y 的失调电压可以忽略，所以a d 8 3 4 芯片的输入端连接可以简化。 应当注意的是，当输入差分电压超过a d 8 3 4 的限幅电平( 1 3 v ) 时，系统 将会出现较大的失真。 2 输出端连接 采用差分输出，可有效地抑制输入端直接耦合到输出端的直通分量。差分输 出端的耦合方式，可用r c 耦合到下一级运算放大器，进而转换为单端输出，也 可用初级带中心抽头的变压器将差分信号转换为单端输出。 3 电源的连接 a d 8 3 4 的电源电压允许范围为4 v 9 v ，一般采用5 v 。要求h 和k 的 静态电压略高于引脚+ v 。上的电压，也就是+ v 。引脚上的去耦电阻r 。应大于w 。和 w 2 上的集电极负载电阻r - ，、r 。引脚v s 到负电源之间应串接一个小电阻，以消 除引脚电感以及去耦电容可能产生的寄生振荡：较大的电阻对抑制寄生振荡有 利，但也会使v 。和v 。的静态工作电压降低；该电阻也可用高频电感来代替。 由于辐射计系统电源为1 2 v ，为了使系统简单，复相关器电源也采用了 1 2 v ，a d 8 3 4 芯片的电源为4 v 9 v ，典型值为5 v ，所以必须采用分压电路 来提供静态工作点。如图3 5 所示： 图3 5a d 8 3 4 芯片电路的连接 由a d 8 3 4 芯片的传输函数可知， 1 9 综台孔径微波辐射计的模拟乘法器及菇外围电路的实现 ，r = ( x l 一五) ( e 一匕) 4 m a ( 3 2 ) b 是a d 8 3 4 的差分输出电流，蜀、丘、墨，、e 的单位均为伏特，则0 p 1 7 7 的输出为 w = 2 x i x r ， ( 3 3 ) 儿是运放的反馈电阻，当r r = 5 0 0 q ( 其标称值是4 9 9 q ) 时，上面电路的 最终输出信号为 p & 口= 4 ( x i 一r ：) ( 墨一e ) ( 3 4 ) 现在来计算满足a d 8 3 4 静态工作点时图3 5 中的电阻值。我们决定使a d 8 3 4 的输出端的静态电压为+ 5 v ，这是可能的，因为其后面接的是具有高开环增益的 运放0 p 1 7 7 ，因此电阻r 上应有7 v 的压降。在输入信号为零的情况下，r ，反馈 支路的电流为l o m a ( 5 v 5 0 0 q ) ，a d 8 3 4 的输出端w 。和w 2 端具有8 5 m a 的静态电 流，+ v s 端的静态电流典型值为1 l m a ，所以，流过r 的电流为2 4 m a ( 1 0 + 8 5 + 5 5 m a ) ，r 的阻值为2 9 4 q ( 7 v 2 4 i i i a = 2 9 1 6 7q ，在此选用接近此值的标称值) 。我 们使脚6 的电压为+ 4 v ，则凡的标称阻值为1 8 2 0 ( 1 v 5 5 m a ) 。一v 。端的静态电 流典型值为2 8 m a ，典型静态电压值为一5 v ，所以r 。的标称值为2 4 9 0 ( 7 v 2 8 i i i a ) 。 当输入为同频、同相的正弦波a s i n n ) t 时， 由于h s i n ( o ) t ) 2 j - a s i n ( o 口t ) 2 | a 2 ( 1 一c o s 2 w t ) 2 ，所以a d 8 3 4 的输出为 i ，= 2 a 2 ( 1 一c o s 2 m t ) m a 。在测试实际电路性能时，输入信号用的是同频、同相 位的正弦波。 3 ，4