（电路与系统专业论文）x波段雷达接收机前端关键器件的优化设计.pdf

硕 士 论 文x波段雷达接收机前端关键器件的优化设计 ab s t r 8 c t not ouly in而li l a rybut ai soind vilfi eld， rf r e c o vetechnolo gyhas b e c o ine m o r e 叨 d m o r e i 州 po 比 劝 t inw l r e 】 ess c o n ” n u ni ca 石 on 飞 七 e v eris ani m 卯恤 t p artofra 山 犷 sy s t 曰 叮 即d rf c o n n n “ ni ca 石 onsy s 姗 ad d p la y s 币吐 妞 ro l esfor th e w holes y s te m 伴吓 沉 m 胡ce. thep u 耳 幻 se of 面s p 即仃 i s op位 功 妞 访gd es i gn to the 概 d v efi o n t 一 dof x 一 b and 口 d ar in d udings w i tc h 氏 a . 七 n u 别 幻 l n aand而x er. f i 招 u y， b a 别 幻加 in tr odu a 叮 gth e n 沈 七 沈 ver 、principle ， 件而c e crit erion add s o m e d esi gn sch e n 抚 活 ， 那 l y ses and c h oo别 绍 one sc h 曰 m e an d 姗 gns n 沈 is 0 nab l e crite ri ontoea chd e v i eeac c 切 心 i n g s y s t eln perfoymance ; s ec ondi y，a cc or d in gthe 切 o yk l n gp n n d pl eof p in andits ap pli。 时 l on in而ctdwave s w i te h er. d esi g n s s pdtv i au s in ga gi l ent a d ss o ft w are ; n 亩d l y，d es i g nsa u e n u a t o r 瘾 u s in g m w 0s o ft w are a ft er出 l al 州n g th e 加 n 而on o f a tt e n u a t o r an d the p n n d p l e o f p in a tt e n ua t o r; then ， acco r d l n g the fu n c ti on an d tr 眨 tsofl n a ， a ft e r an al y zi ng i ts枉 hoology criteri武。 比 山 its tiu日 旧 比and th e d e s i gn m e t h eds ， d es i gns hi gh 笋n l ow noiseto ws 。 旧 d w av e l n avi a c h 侧 招 i n g h e m t;r n 川 l y， a c co rd l n g th e 州顽pl e an d lr 只 l ortech 一 t e ri a of 而x er， b as edon d ee p 】 y an al ys i sing th e w 0 d d n g p ri n d pl e ofdi ode si n gle一 b al a n c e nnx er， d es i gns singl e- b al 胡ce而x ery 讯 choosi n g sc0 ttydi ede an d u sing a d s s 0 ft w are . the 曰 叮 u 妞 ti on璐u l t o f a b 0 v e d esign s h ows th a t c h oosing ap p ro p n ate tr 肚 ” l s tor and c 比 c u it s tructurean d e m p fo 户 d g adv an c ede r n u l ation1 oo1 s can r ea 1 i zeth e object ofd esign e 伟 戈 t l v el y. k e y w o r ds:x 七 四d r a d ar;rec e i v e r ;s w i tc h ;a t t e nua t o r ;l n a :而x er 一叫.，. iii 声明 本学位论文是我在导师的 指导下取得的 研究成果， 尽我所知，在本 学位论文中， 除了 加以 标注和致谢的 部分外，不包含其他人已 经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的 学位或学历而使 用过的 材料。 与我一同 工作的同事对本学位论文做出的 贡献均己 在论文 中作了明 确的说明。 研 究 生 签 名 : 沁周孤. 问 年 7 月 牙 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文 档， 可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内 容， 可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公 布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 : 位幽k. 脚年 7 月 孚 日 硕 士 论 文 x波段雷达接收机前端关键器件的优化设计 1 绪论 l l 课题背景及其盆义 随着雷达技术和电 子对抗技术的发 展， 雷达系统的 复杂程度日 益增加， 雷达所面 临的电 子环境日 趋复杂， 对雷达的抗干扰能力要求 越来 越高， 为了保 证其正常 发挥功 能， 各种新技术和新体 制被大量应用。各种 技术 ( 如频率捷变、 脉冲压 缩、 扩频等) 相互兼容， 使得 综合性能得到了 很大提高， 但这对雷达的各部分 设计也相应提出了 更 高的要求。 接收机作为雷达的 重要组成部分， 正面临着高 工作频率、 高集成度、 低电 压、 低 功耗、 低价格的挑战。 要提高接收机的集成度，关键是提高接收机中模拟前端的集成 度。 接收机前 端是雷 达处理回 波信号的前端， 通常由低噪声 放大 器、 变频电路、 滤 波 电路等组成，其性能直接影响后续电路性能的发挥，并且影响雷达整机的性能指标 11 一 。目 前常见的 接收机前 端结构 有超外差、零中频、 低中频、宽带中频和镜 像抑 制 接收机等。超外差接收机是大多数接收系统中最常用的结构。在超外差接收系统中， 接收信号经过放大、滤波，进入混频器变换成中频，检波器再将基带信号提取出来。 在某些应用中， 特别是 频率很高的 情况下， 单级下变频因同时 接收镜频导致接收性能 差，而两级变 频的 超外差 接收 机可获得较好的接收性能。 雷 达领域的 技术人员利 用建模和仿真进行系统论证、 体制选择、 指标分配等工作， 大大缩短了雷达研制周期，降低了研制费用。传统的试验方法主要在外场进行， 但在 外场模拟真实战场复杂电磁环境是非常困难的， 而且耗资巨大， 又外场试验的次数有 限， 难以全面反映雷达系统在各种复杂干扰环境下的抗干扰性能， 而且若外场测试结 果达不到指标要求， 必 须重新设计、 修改、 制作， 反 复进行外场测试和设计修改， 造 成试验周期长和人力物力的巨大浪费. 1 2 国内 外研究现状 随着无线通信技 术的 广泛应用， 为了 满足无线 产品的高 性能和低成本要求， 对包 括无线收、 发 信机在内的 技术研究 和开发 就具有重大的现实意义。 总体来说， 无 论在 军用还是在民 用的无线 通信中，接收 机的设 计趋势主要表现在以下几个方面: 1 、接收机功能的广泛数字实现。由于现阶段a /d、d /a变换器取样率、数字信号 处理能力的 限制， 大多数频段的 rf变换部 分还必须是模拟的， 但是随着数字下变频技 术的飞速发展， 使得在很高中频频段上不需要模拟器件， 可以直接进行数字化， 这对 传统的微波电 路是一个 挑战13- 习 . 2 、 扩频接收机的广 泛应用。这项技术最 初也是 应用在军事上，但其优良 的性能 1 绪论 硕 士 论文 使得其迅速转为民用。 它利用 各种调 制方法将信号调制 到很宽的 频带上传输， 具有 保 密性，减少干扰失真等 优点 16- 刀 。 3 、系统仿真设计的 应用。 仿真方法可以 无需每次 实际搭建系统 或者电路 就可以 估计其设计。 在计算机中对复杂设计的参数进行修改要比搭建、 测试、 修改电路经济 的多. 现在很多 商业软件 例如agi le nt ai)s ， ansoft等 在系 统仿真方面已 经做的 相当 完善。 4 、 mmic 工艺的 广泛使用。 姗ic ( 单片 微波集成电 路)突 破传统以 陶瓷材料作 为 衬底的 m ic ( 混合 微波集成电路)发展起来。 在这类器 件中， 作为反 馈和直流偏置 元 件的 各个电阻器都 采用具有高频 特性的薄 膜电阻， 并且与各 有源器件一起封装在一 个 芯片 上， 这使 得各元 件之间几乎无连线， 从而 使电 路的感抗降至 最低， 且分布电 容 也 极小，因而可用在工作频率和频宽都很高的场合中。目前，mmic的工作频率已做到 6 0 g h z ，频宽也已达到15 g hz，所有的发射机或接收 机的射频和中 频电 路都 可以 应用。 1 3 论文的思路与研究方 法 这篇论文以x 波段雷 达接收机为设计目 标， 设 计完成基于 m i c 器 件的接 收前端的几 个关键部件，包括大功 率收 发开关、模拟电 调衰减 器、 低噪声放大器、混频器. 首先简介雷达接收机的 作用、 功能、 参数及常见的 设计方案; 然后根 据本文接收 机所要达到的技术指标， 分析并选择超外差结构的接收机实现方案， 并对文中设计的 关键器 件进行指标分配; 最后根据分配的 指标， 按照 接收前端对信号的处理 顺序， 分 别设计各器件。主要工作及研究方法包括: 1 . 根据p i n 二极管的工 作原理和pin 开关的结构形 式， 选择二极管并联结构的 单 刀双掷收发开关来进行设计 和仿真。 设计中根据收 发指标的不同， 采用收发不 对称的 二极管并联结构， 通过对收发两端二极管的偏压进行控制来实现微波信号的通断。 虽 然开关电 路理论知识很成熟， 但是 要设计出宽带 、 大功率、 高隔离、 速度快的开 关器 件难度比较大。 3 . 由 p 工 n 二极管电 调衰减器的工作原理和技术 指标参数， 根据设计指标采用并 联 多 节p in 管的方 式来设 计模拟电调衰减器。 通过改 变流经 p i n 管的 直流电 流的 大小来 对 进入的微波信号进行适当的衰减. 4 .根据低噪声放大器的作用特点和技术指标以及高电子迁移率晶体管 ( 班 工 t ) 的结 构和工作原理， 分析低 噪声放大器的电 路结构和设 计方法， 然后由 设计指标采用 多个 现m t 级联的方式设 计多级低噪声放大器。设 计的 重点是各级的匹 配。 5 .由混频器的基本原理和技术指标以及肖 特基势垒二极管的结构特点，深入分 析二极管单平衡混频器的 混频原理， 然后根据设计 指标采用3 db分支线定向祸合 器结 构形式设计单平衡混频器。 2 硕 士 论 文x波段雷达接收机前端关盆器件的优化设计 z x波段雷达接收 机 2. 1 接收 机简介 雷 达 ( r a d a r ) 是无 线电 探测和 测距 ( r a d i o d e t e c t i o n and r a n g i n g ) 的 缩写。 它的基本任务是探测目 标， 并从中提取诸如目 标距离、角坐标、 速度和反射特征等方 面的 信息。 雷达接收 机的 主要作用 是放大和处 理雷达发射后反 射回的 所需要的回波， 并以 在有用的 回波和 无用的 干扰之间 获得最大 鉴别率的方式 对回 波进行滤波.干扰 ( 有时也称 做杂波) 不 仅包含雷达 接收机自 身 产生的 噪声， 而且包含从银河系、 邻近 的雷达或通信设备以及可能的干扰台接收到的电磁能， 以及雷达本身辐射的电磁波被 无用的目 标所反 射的 部分 18 。 雷达接收机一般是通过预选、放大、 变频、滤波和解调等方法， 使 目 标反射回的 微弱射频回波 信号变成有 足够幅度的视 频信号或数 字信号， 以 满足信号 处理和数据处 理的需要。 雷达接收 机的 基本组成 可分为三部 分， 即 接收前 端、 中 频接收机和频 率源. 本课 题研究的就是接收前端。图2 . 1 是接收前端的组成方框图。 来 自 天 馈 线 限 幅 射频 低 唤 声放 大 滤 波 预 选 器 ) 镜像抑制 混 频 器 前 置 中放 检 侧 滤波 ， 几到 甲狈 接收机 图21接收前端组成方框图 经天线进入接收机的微弱信号首先经过射频低噪声放大器进行放大， 其噪声性能 的好坏直 接影响着整 机的 性能， 尤其是 接收机灵敏 度和整机噪声的好坏。 它在不造成 接收机线性恶化的前提下提供一定的增益， 抑制后续电路的噪声。 所以它必须具有很 低的噪声系数、合适的增益、高的三阶互调截点以及低的功耗。 射频 滤波器是为了 抑制进入 接收机的 外部 干扰， 有时把这 种滤波器 称为预选器。 它的功能是 选择工作频 段， 限制输入带 宽; 抑制杂散 信号， 避免 杂散响应; 减小本振 泄漏对天线和系统电路产生的响应;滤除射频镜像信号，为混频做准备。 对于不同 频段的雷 达接收机， 射频滤波器可能 放置在射频放大器之 前或者之后。 滤波器在 放大器之前， 对雷达 抗干扰和 抗饱和能力很 有好处， 但是滤 波器的 损耗增加 了 接收机的 噪声; 滤波器放置 在低噪声 放大器之后， 对接收系统的灵 敏度和噪声系数 有好处，但是抗干扰和抗饱和能力将变差。 在放大器 和滤波器之前的限 幅 装置， 是用来 对进入接收机的过强的 射频信号进行 适当的 衰减， 以 保护接收 机的正常工 作， 并达到 抗饱 和、 扩展动态范围及 保持接收机 增益稳定的目的。 混频器 将雷达的射频 信号变换 成中 频信号，中频 放大器 不仅比 微波 放大器成本 3 x波段雷达接收机硕 士 论 文 低、 增益高 、 稳定 性好， 而且 容易对信号进 行匹配滤波。 对于不同 频率不同频带的接 收机都可以通过变换本振频率， 使其形成固定中频频率和带宽的中频信号。由于本振 信号的 存在， 混频器是 接收机中 输入射频信号最强的 模块， 它的线性 度尤为重要， 要 求高的三阶互调截点，同时又要求较低的噪声系数。 中频放大器， 将信号放大到一定的幅度供后续电路处理， 通常需要较大的增益并 且实现增益控制。 中 频滤波器， 抑制相 邻信道干扰， 提供选择性; 滤除混频器等产生的 互调千扰分 量;如果存在第二混频器，则需要抑制第二镜频。 z j 接收 机的 主要技 术参数 1 、灵 敏度和噪声 系数 灵敏 度是 衡量接 收机接收 微弱信号的能力。 接收机的灵敏度越高， 它所能 够接收 到的信号就越弱， 雷达的作用距离就越远。接收信号的强度可用功率大小来表示， 所 以 接 收 机 的 灵 敏 度 用 能 够 辨 别 的 最 小 信 号 功 率 硫 来 表 示， 如 果 信号 功 率 低 于 此 值 ， 信号将被淹没在噪声干扰之中， 不能被辨别出来。 噪声系数的定义为接收机输入信噪 比 和输出 信噪比 的比 值， 其表达 式为 p= 鱼 二(2.l、 50 / no 噪声系数表征接收机内部噪声的大小石 接 收 机 灵 敏 度和 噪 声 系 数 之 r司 的 关 系， 可以 用 下 式 表 示 ts 。 5 画二 k t o b 。 刚( 2 2 ) 式 中 ， k 为 玻 耳 兹 曼 常 数 ， k 二 1 . 38 x 10 一j/ k ; t 。 为 室 温的 热 力 学 温 度 ， t 。 = 2 9 0k; b 。 为系统噪 声带宽; m 称为 识别系 数， 对不同体制的 雷达， m 取值不同， 一般情况下取 m 二 1 。 2 、选择性和通频带 选择性表示 接收 机选 择所需要的信 号而滤除邻频干扰的能力， 选择性与接收机内 部频率的 选择 ( 如中 频频 率和本振频率的 选择) 以 及接收机高、 中 频部分的 频率特性 有关。在 保证可以 接收到 所需 信号的条 件下， 带宽越窄或谐振曲线的 矩形 系数越好， 则滤波性能越高，所受到的邻频干扰也就越小，即选择性越好。 通 频 带 定 义 为 谐 振曲 线 由 最 大 值 下 降 到 1/ 迈 时 所 确 定 的 频带 宽 度 b. 3 、动态范围和增益 动态范围 表示接收 机正常工 作时， 所允许的 输入信号的强度变化范围。 所允许的 最 小 输 入 信号 强 度 通 常 取 最 小 可 分 辨 信 号猛 ， 所 允 许的 最 大 输入 信 号 强 度则 根 据正 常工作的要 求而定。 当 输入信号 太强时， 接收 机将发生 饱和与 过载， 从而使较小的目 标回 波显著 减小甚至丢 失。 为了 保证 信号 不论强弱都能正常接收， 就要 求接收 机的 动 硕 士 论 文x波段雷达接收机前端关键器件的优化设计 态范围要大。 增益表示接收机对回 波 信号的放大 能力， 它是输出 信号与输入信号的 功率比， 即 g=so /s， ; 有 时 用 输出 信 号 与 输 入 信号 的 电 压 比 表 示， 称 为“ 电 压 增 益” 。 接 收 机的 增益并不是越大越好， 它是由接收机的系统要求确定的。 接收机的增益确定了接收机 输出信号的幅 度， 在实 际的接 收机设 计中， 增益及其分 配与噪声系数 和动态范围都有 直接的关系。 4 、中 频抑制 中频抑制是为了抑制中频干扰。 中频干扰即指和中频频率相等的射频干扰信号直 接进入混频器的射频输入口，混频器对此中频信号而言， 相当于一个放大器，中频不 必混频而是直通输出，后面是无法将其滤出的。可以将混频器设计成双平衡或环路， 电 路尽量对称， 以 使中 频干扰 尽量和中 频端口 隔离， 一般混频 器均给出rf和if的隔 离 度， 这个隔离度一定程 度反映中频抑制能力。 选 择中频时 使中 频落在频率覆 盖范围 之 外 能 大 幅 度 提 高 中 频 抑 制 能 力 19 。 5 、镜像抑制 一 个 与 有 用 信 号 相 对 于 本 振 信 号叱 的 另 一 侧 且 与 本 振 频 率 之 差 也为 中 频味的 信号， 称为镜像频率 信号。 它如果没 有被前端电 路 滤除而进入了 变频器， 变频后也为 中频.由于中频滤波器无法将其滤除，它与有用信号混合降低了中频输出的信噪比， 形成了 对有用信号的 干扰。 消除镜频干 扰的 唯一办法是不 让它进入变频器。 抑制镜像 干扰的有效方法有: 提高选择性; 采用高中频使得镜频干扰尽量远离有用信号， 然后 采用二次变频得到所规定中频。 2 3 常见的 接收机方案 根据系统要求的 性能 指 标、 复杂 程度、 功耗和 成本， 接收机有许多实 现的结构方 案， 大 致分 为以 下 几 种 工网 : 1 、超外差式接收机 超外差式接收机射频部分的结构方框图如图2 . 2 所示，其关键部件是下变频器。 小信号 放 大器、战 瓦 洲 ， 尸 汽 吃 c o s 码夕 图 2 . 2 超外差式接收 机射频部 分的 结构方框图 使用混 频器将高频 信号 搬移到一个低 得多的 中频频率后再 进行信道滤波和放大、 解调， 从而解决了高 频信号处 理所遇见的困 难。 依靠周密的中 频频率选择和高品质的 射频和中频滤波器， 一个精心设计的超外差式接收机可以达到很高的灵敏度， 选择性 x波段雷达接收机硕 士论 文 和动态范围。 有的 接收机 需要用 两次或多次变频， 在多个中 频频率上 逐步滤波和 放大。 采用此方案主要 基于以 下 三方面的 考虑。 首 先， 中 频比 信号载 频低很多， 在中 频 段实 现对有用信道的选 择要比 在载频段选择对滤波器 q 值得 要求低得多。 其次 ，采用 这 种方案 将接收机的总 增益分 散到了 高频、 中 频和基带 三个频段 上， 保证了各级放大 器的稳定 运行。 第三， 在较低的固 定中 频上解调或 a/d 变换也相 对容易。 超外差式接收机的最大缺点是组合干扰频率点多。 2 零中 频接收机 让 本 振 频 率 等 于 载 频 ， 即 取 中 频为 味=0， 就 不 存 在 镜 像 频 率 ， 也 就 不会 有 镜 像 频率干扰. 所以 不需要镜 频抑制 滤波器， 只需要低通滤 波器进行 信道选 择。 结构 见图 2 . 3 。 零中 频， 图 2 . 3 零中 频接收机的 原理框图 除了 没有镜像频率 千扰外， 直 接下 变频方案还有以 下 优点: 接收机的 射频部分只 包含了高频低噪声放大器和混频器， 增益不高， 易于满足线形动态范围的要求， 且由 于没有镜频抑制滤波器， 也就不必考虑放大器和它的匹配问题; 省去了中频滤波和放 大。 但它存 在一 些难以 克服的 困 难: 首先， 本振泄 漏问 题， 如果 混频器的 本振口 与射 频口之间的隔离性不够好， 本振信号就会由射频口 输出， 再由射频放大器泄漏到天线， 辐射到空间，形成对邻道的干扰;其次，是直流偏差问题，由于混频的隔离度有限， 所以 本振和强 干扰信号都会自 混 频产生直流分量， 它们叠加 在基带 信号上， 使 信噪比 变差，甚至会使混频后的放大器饱和。 4 .镜 像抑制接收机 外差式接收 机是靠变频 前加镜像 抑制滤波器来滤除镜 像千扰频 率， 而镜频抑制接 收机是采用改变电 路结构来 抑制镜像 干扰频率。 一般电 路 采用正交 混频结构， 例如 h art le y结构 可以 完全抑制中 频的镜 频信号， 结构见图 2 . 4 . weaver 结 构可以 有效抑 制镜频信号，使得有用信号顺利通过，电路结构见图2 . 5 。 硕 士 论 文x波段雷达接收机前端关键器件的优化设计 射频输入中频输出 图 24h art l ey结构镜频抑制接收机 射频输入中频输出 图 2 . swea v e r 结 构镜频 抑制接收 机 这个方 案要真 正做到 抑制镜频干 扰的关键有两点: 一是两条支路必须完全一致， 其中 包括本振 信号的 幅度、 混频器的 增益、 低通滤波器的 特性都必须一致: 二是正交 要精确， 即 本振的两路 信号要精确的 相差9 00 ， 否则镜像频率不可能被完全抑制11 13 。 6 .数字中频接收机 在二次混频方案中， 可以将第二次混频和滤波数字化。 第一次混频后的信号经放 大直接进行 a /d 变换， 然后采 用两个正 交的 数字正 弦信号 做本振， 采用数字相乘和滤 波后 得到基带 信号。 采用数 字混频的优点是， 数字处理方法可以 避免1 闪两路的不 一 致: 信号不必 变换 到基带或低 频， 避免了 低频失调 和噪声的影响; 在高中 频进行带 通 抽样， 将信号 直接变换到数字 域进行处 理， 充分发 挥了 数字电路的 功能， 可以处 理多 种调 制方式的 信号， 具有很高的 灵活性。 数字中 频方案的 难点 在于对a /d变换器的 要 求较高，实现较困难，但它是将来接收机发展的方向之一。 这几种结 构都 有着各自 的 优缺点， 选择哪一种结构要看系统的工 作环境、 性能 指 标、 功耗和成本的要求。目前随着滤波器制造工艺的提高，与天线相连的滤波器会较 大程 度上抑制 镜像 频率， 所以本 课题 将选用超外差式接收机方案来讨 论。 通过图 2 . 6 来具体的认识一 个超外 差式接收 机系统的实例。 它是一个1 5 一 19蜂窝 移 动 电 话 接 收 机 射 频 部 分电 路 结 构 19 ， 图 中 采 用 二 次 变 频的 超 外 差 式 方 案 。 通 过天 线 双 7 x波段雷达接收机 硕 士 论 文 工器的预选， 滤除频带外的干扰; 进入的8 8lmhz 信号首先经过两级低噪声放大器放大 并由 8 81阳2 滤波器滤除镜像干 扰; 然后 进入1 混频器， 与来自 频率合成 器的 92翎hz 本振信号混 频，由 45 mhz 晶体滤 波器 选出 45翻2 的1 中频 信号， 再进入二混频 器， 与 4 4 . 5 4 5 翻2 的二 本振信号混频，由4 5 5 khz 的 陶瓷滤波器选出 4 55khz 的n 中频 信号; 经 两次混频后， 将8 8 1 翻2 的 信号 降为4 55khz 频率 相对较低的11 中频信号， 经 过中 频放大、 限幅、滤波，最后送入解调器解调，得到音频或数据。 载波检测 音频/ 数 图2 . 6一 个采用二次变频的超外差 式接收机芯片电 路结 构方框图 2 .4 接收机方案选择和 指标分配 本课题接收 机选择超外差式方案， 其方案框图 如图2 . 7 所示。 其中 虚线框内 的部 分，即为本论文 所研究的 范围。 图2 . 7本课题接收 机方案框图 9 1 0g hz输入射频信号经过大功率收发开 关、 衰减控制 模块 ( 低电 平限幅器、 模 拟电调衰减器)、 低噪声放大器、镜像抑制 滤波器、 混频器，被混成1 00300 mhz 的 中频信号.接收机的系统指标，见下表: 硕士论文x波段雷达接收机前端关钮器件的优化设计 表21 接收 机系统指 标 参数名称指标 波段 9 1 肠hz 噪 声系数 ( db) ( 3 . 5 功率增益 ( db) 5 5士1 输入线性动态范围 ( d b) 1 2 0 输出功率 ( d 加) ) 1 5 a gc/st c 范围 ( db) 0 6 0 镜像抑制度 ( db) )5 0 温度范围 ( ) 一 5 5 + 7 0 电源 ( v )士1 5 v / 士s v 输入输出阻抗 ( 9) 5 0 根据接收机的 种类及用途不同， 接收机的电 路类型 亦不同， 用途也不一 样， 但接 收 前端的 主要用途都是 : 选择信号、 放大 信号、 变换信号 ， 并尽可能地抑制 杂波和干 扰。电路必须具有足够的动态范围， 才不致因信号饱和而使系统产生非线性失真。 为 保证电路的动态范围， 可以通过选择输出能力强的器件，以保证瞬时动态范围;同时 还可以 采用 a gc、 st c 等电 路实现增益控 制，以 保证系 统的 动态范围. 在进 行射频接收机 设计时， 主要 考虑系统噪声系 数、 灵敏度、 杂波抑制 特性和 选 择特性，以 及系统实现的 难易 程度 及稳定性。 其中 ，中 频的 选择 考虑的 是 “ 灵敏度” 和“ 选择性” 这一对矛盾的 折中， 主 要根 据接收 机对主 要 干扰的 抑制 要求和滤波器的 可实现性。 在综合考 虑接收机系统 指标要求， 分析和查阅 国内外 微波 设备制造商相应 产品的 指标水平的 基础 上，本 课题对要研究的 关键部 件指标分配如下: 收发开关: 发射端 一天线 端口 il毛 0 . s db， 接收端 一天线 端口 il簇 0 . s db， 发射端 一天线150 )22db， 接收端一 一 天线150 )6 o db，发射端一接收端150 )60db， 开关速度t 续 1 . s u s : 电 调衰减器: 插损感1 . z db， 最大衰减) 印db; 镜像抑制滤波器: 带内 插损小 于3 db， 带外抑制: 8 . 5 阳 2 时， 插 损大于 40db， 1 0 . s ghz 时， 插损大于40db， 镜像抑制 度) 50db; 低噪声 放大器: 增益多 25db， 噪声系数簇 1 . s db， 带内 波动士 o s db， 输 入反射 系 数小于 一 1 0db ， l db压 缩点输出 功率: s d 肠; 射频通带内 增益平 坦度: 簇 0 . 巧 db; 混频器:变领损耗簇10db，噪声系数(i o db，输出1 00300 翻乞 的中频。 2 占 签于相 关软件的仿 真与 优化 9 x波段雷达接收机硕 士 论 文 微波系统的设 计越来越复 杂， 对电 路的指标要求 越来越高， 电路的功能越来越多， 电 路的 尺寸越 来越小， 而设计周期 却越来越短。 传统的设计方法己 经不能满足系统设 计的 需要，使 用微波e da软 件工具进行 微波 元器件与微波系统的设计已 经成为 射频 / 微波电路设计的必然趋势。 a g i l e n t ai)s (a d v anc e d d e s i 即 s y s t e m ) 基于矩量法， 是在 h pe eso ft系列e d a 软 件基础上发展完善 起来的大型 综合设计软 件， 是为系统和电路工程师提供的可开发各 种形式的射频设计。 它允许工程师定义频率范围， 材料特性， 参数的数量和根据用户 的需要自 动产生关键的无源器件模式。 该软件范围涵盖了小至元器件， 大到系统级的 设计和分析. 尤其是强 大的 仿真设 计手段可在时域 和频域内实 现对数字或模拟、 线性 或非线性电路的综合仿真分析与优化， 并可对设计结果进行成品率分析与优化， 从而 大大提高 了复 杂电 路的设计 效率，使之成为设 计人员的 有效工具。 姗0 ( 晰c r e o f f i c e) 软件也是 基于 矩量法， 是通过两个模拟器来对微波平面 电 路进行模 拟和仿真的。 对于集总元 件构 成的电 路， 用电 路的方法来处理较为简便。 该软件设有“ v olt alre xl” 的模拟器 来处理 集总 元件构成的微波平面的电 路问 题。 而 对于由 具体的 微带几何图形 构成的分 布参 数微波平面电 路则采用场的 方法较为有效， 该软件采用的 是 “ 阴sigh t ” 的模拟器 来处 理任何多 层平面结构的 三维电 磁场问题. 本论文， 除第四章 模拟电 调衰减器的 设计采用姗0 软件外，其余仿真和优化全部 采用胡5 软件。 硕 士 论 文x波段雷达接收机前端关键器件的优化设计 3 收 发开关的 设计 3 1 引言 微波开 关是微波控 制电 路的重 要组成部分， 它 在相控阵雷达、 电子 对抗、 微波通 信、 卫 星通信以 及微波测量等 方面 有着广泛的应用。 在不少无线电 系统中， 往往需 把 一个设备来回换接到两个不同设备上， 形成交替工作的两条微波通路。 最典型的例子 为雷达天线 收发开关，发射机 和接收 机共用一个天线。由 于雷达的 工作多为脉 冲制， 发射和接收 可在时 间上予以分 割， 故可以 用一个开关来回 控制阴。 而高功率微波开关 则是各种雷 达系统中的 关键部件 ， 它的 指标很大程 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两个最重要的指标。 目 前所 采用的 开关元件主 要有半导体 器件和铁氧体 器件。 由 于半 导体开关需要的 驱 动功率小， 可控功率大， 控制 速度快， 体积小， 重量轻 等特点 ， 在微波、 毫米波电 路中 得到了 广泛应 用。目 前半导 体 射频开 关 ( rfs 叭t ch) 中 广泛采用的是 p i n 管， 其 他还有g aas f etmmic的 射频开关。 相比 之下， p in 管开关电 路更为 成熟， 成本更为低 廉， 因而有广泛的应 用; 而g aas f e t 翻i c 开关的 优点是集成 度高， 体 积更小， 在对 体积有特殊要求的场合下使用， 但成本较高. 本课题 采用p in二 极管设计 大功率收发开关。 犯pin 二极管工作原理 3 么1 墓本结构 pin管的结构如图 3 . 1 所示，由 重掺杂的p 型及 n 型半 导体中间 夹一层本征半导 体 (i 型半 导体) 构成， 分 别称p +、 n 十区 和1 区。 p +有大量空 穴， n 十区有大量电子， 因此这两 个区为低电 阻区。 在无外 加偏压时， 工 区内的电 荷被晶 格所 束缚， 呈高阻区。 加偏压后， 1 区电阻发生变化，结电容也发生变化，这就是p in二极管在开关、电调衰 减器中的 工作机理115 。 图 3 . i p in二极 管结构 3 j j 电阻的 变化 1 . 静态电 阻 在p 型 及n 型半 导体与1 型半导 体接触的分界面 处，由 于 扩散作用，形成 势垒部 分 ( 耗尽层)和中间 层 (i层) ， 只有极少的 载流子，整个结构 呈高 阻态，加反 偏电 压 l l 收发开关的设计硕 士论 文 时， 耗尽层变宽， 将使阻抗 进一步增大。加正 偏压时， 势垒被克服， 载流子注入到 1 区中并 使电 荷储存 起来， 使得1 区的电阻 率大大降 低。经 过严格的理论分 析， 得到正 偏电阻为: 、 = 琴 sh 4， tan 一 !sh 粱 一 (3 .1 ) 刀 i f 又 z v d i : ) 又 乙 寸 口 1 : ) 其中， k 是玻尔 兹曼常 数， k =1 . 3 80x 1 0- 23 ) /k， t 为绝对 温度， q =1 . 6 02x 1 0- 19 库仑， i f 为 正向 电 流 ， w 为 1 区 长 度， d 为 扩 散 常 数， 几 为电 子 / 空 穴 平 均 寿 命 。 2 . 动态电阻 p i n 管的 动态电 阻在 有偏压和无偏压时， 表现出 不同 的 特性。 无偏压时， p in 管对 交流信号所呈 现的 特性与 信号 的频率和幅度 直接相关。 在 低频段， 由 于交流信号的 周 期很大， 载流子进出本征层的渡越时间与之相比可以忽略。 可按准静态电阻考虑。 这 时pin 管在交流 信号正半周的 特性与加正向 直流偏压 相同， 在负半周时， 与加反向 直 流偏压相同。随着频率的升高， 信号周期减小。当信号从负半周变为正半周时，正负 载流子从p 区和n 区注入1 区，但在载流子尚未在1 区相复合时，外加信号己改变极性。 因此， 在正半周期 不能实现完 全导通。 而在负半 周期，由 于1 层始终有一定数 量的载 流子，p in管不能实现完全截止。 在直流偏压作用下， 动态电阻呈现出静态偏压的特性， 这是因为当微波信号小于 偏置电 流时 ， 无论微 波信号处于 正半 周还是负半 周， 总电 流始 终大于零， 因 此， 在小 信号工作时，正向偏置p i n 管呈低阻抗导通状态.在大信号工作时，微波信号电流的 幅度可能远大于直流偏置电流。 从表面上看， 似乎在微波负半周内二极管将无电流通 过， 而实际上， 在正向 电流作 用下， 1 层内己 有贮 存电 荷q 。当 微波频率 足够高 ， 在负 半周内，1 层的电荷减少量将远小于q ，因而不影响导通状态。同样的原因，在反偏电 压时，即使微波信号电压的振幅很大，也可以保证p i n 管始终工作在高阻截止状态。 3 2 ) 等效电 路 作为 开关器件的 p in 管总是工 作在正向 偏置或反向 偏置状 态， 在确定p in管的 等效 电路时，就分正偏和反偏两种状态来考虑。 1 . 正向 偏置时的 等效电路 正 向 偏 置 的 1 层 可 用 凡和 几的 并 联 电 路 来 表 示 其 中 ， 凡为1 层的 电 阻， cj为结 电容和 扩散电 容之和， 但主要是扩散电容。 其等效电 路如图3 . 2 所示. 图 3 . zp 工 n 管正偏时 的等效电 路 l 2 硕士论文x波段雷达接收机前端关键器件的优化设计 尺 是 接 触 电 阻 ， 凡的 数 值与 偏 置电 流 有 关。 亦即 1 层的 电 阻 率rj 由 1 层 内 的 载 流 子 所决定: l 几 “ 丽 石不 石下 ( 3 . 2 ) 这里q 是电 荷电 量( q = 1 . 6 02xl o 一 19 库仑) ， n 和p 是单位体 积内电 子和空穴数目 ， 从和阵分别是它 们的 迁移率. 加正向 偏置时， 载流 子将注入1 区， 同时又 在工 区复合， 最终达到平衡，此时，复合的量就等于正向电流: 么 1护 = 吮 二- 了 乙 这 里qs为 1 区 中 空 穴 和 电 子 电 量的 绝 对 值 之 和 qs= q t l为载流子寿命。令1 区长度为l ，面积为5 ，则 ( 3 . 3 ) ( n +p )v ， v 为1 区的体积: 1 ， = 全 旦 星 竺 tl l 弓 = 三 蔽 不产 ” 兰卫 三 2 ( 3 . 4 ) ( 3 . 5 ) 由上面三个式子可以得到 乙 l r， =二一 = s l zq召 p s 广 2 1 ， 召 几 ( 3 .6 ) 可见 ， 正 向 偏 置 时 ， 1 层的 电 阻 与 偏 置电 流 成反 比 ， 吞 越大 ， 凡越 小 ， 当 l/ acj 凡 时 ， cj的 影响 可 忽 略 。 p in 管 的 等 效 电 路 可 简 化为 正向 电 阻 凡= r，+ rj( 3 .7 ) 2 . 反向偏置时的等效电路 当反向 偏压时，1 层由 两部分组成。一部分为 耗尽层， 其中载 流子完 全耗尽，另 一部分是未耗 尽层， 其中有一定浓度的 载流子。 这时p in管的 结构及 等效电 路如图3 . 3 所示。 图3 . 3p 工 n 管反偏时的结构及等效电路 收发开关的设计硕 士 论 文 ， = 警 。 ， 尺 = : = : 备 ， 。 = l一w ( 3 . 8 ) ss l一w 这 里弓 为 耗 尽 区电 阻 率 ， 一 般 可 达 3 xl o ， 。 m， : 为 非 耗 尽 区 电 阻 率， 比 弓 ( 3 . 9 ) 小得 多 。 随 着 反 偏电 压 的 增 高 ， w 变 大 ， 直 到 等 于 l ， 这时 尺 = 00 以 上讨论的是未封装的 p in管芯 在正反向 偏压下的等效电 路。 对于封装的 pin 管还 要考虑封装结构的寄生参量。 3 j .4 主要参数 1 、 截止频率 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1 时的频率。 由 等 效电 路 可 知 ， 当 正 向 偏 置 足 够 大时 凡= r， 而 反向 偏 置 也 足 够 大 时， 其 反 向 阻 抗 为 v 叫 ， 故 开 关比 为 v j 凡 因 此， 根 据 定 义 可以 求 得 p in 管 截 止 频 率 的 表 达 式 为: 分= 冬 = 兀 l 了 找， ( 3 . 1 0 ) 显然，为了减小 控制电 路中 p in 管引 入的损耗，必须有较大的 开关比 ，因此 应选 择fc 高 ， 即 cj、 凡小 的 pi n 管 。 2 、功率容量 所谓 p in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 in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， 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 值 的 最 大点 必 须 小 于 击 穿 电 压va， 否 则 p in 管可能被击穿。 为了 保护管 子安 全，又能充分利用二极管， 加到 p in管上的微 波信号 电 压 的 有 效 值 应 为 咋毛 va / 2 扼 ， 由 此 不 难 求 得 反 向 偏 置 下 p in 管 所 能 承 受 的 最 大 微 波功率。 在正 向 偏 置 下， p i n 管 上 的 损 耗 功 率 必 须 小 于 管 子允 许 承 受的 功 率尺 ， 否 则 因 过 热 而 烧毁 。 当 正向 偏 置 电 流 为10 时 ， 为 确 保 管 子 安 全 而允 许的 最 大 微 波 信 号 电 流 有 效 值是: 1 。 、 匡 万 一 丫 凡 ( 31 1 ) 综上所述， 加到p in管 上的 最大功率容量必须由 正、反向 偏置下允许 承受的 微波 信号功率中较小者决定。 3 、 开关时 间 l 4 硕 士 论 文x波段雷达接收机前端关键器件的优化设计 当 p in 管作为快速 开关元件 使用时，开关时间是 很重要的 参数， 要求它尽可能的 短。由 于 pin 管的正反 状态 之间的 转换不是瞬时就能 完成，需要 有一 过渡过程， 因此 必须考虑其开关时间 ( 或转换时间)问题。开关时间既和pin 管本身有关，又和偏压 控制电路有关，应将两方面因素结合起来考虑。 通常的 p in管的 开关时间 从几 十毫微秒到几个微秒， 其值的大小除取决 于载流子 寿命 ! 和激励电路以外， 还和承受功率有关。当承受大功率时pin 管应有较厚的1 层厚 度w和较大的结面 积a 。当 w 较 大时， 会发生 如下现象:1 层两侧由 于反向电 压的作 用 将载流子 “ 吸出 ” 而形成耗 尽区， 但1 层中间 仍有载流子未 被 “ 吸出”， 此时反向电 压主 要加在耗尽区 上， 对工