（电磁场与微波技术专业论文）w波段辐射计接收通道技术研究.pdf

摘要 摘要 本文小型化辐射计接收通道拟采用高增益放大+ 检波的方案，在对辐射计结构 分析的基础上，采用电磁仿真软件h f s s ，c s t 和路仿真软件a d s 相互结合的方 法研究提出了前端通道系统。 为了实现宽带检波器特性，提出了两种微带形式的宽带匹配电路拓扑结构。 通过优化设计，获得了带宽为1 5 g h z ，2 0 g h z 两种不同电路拓扑结构的检波器。 同时通过在过渡夹缝处打孔模拟s i w 的方法，有效避免过渡电路谐振问题，测试 获得了满意的结果。提出了一种新型滤波器电路拓扑结构，电路结构简单，合理， 最后给出了宽带毫米波放大器仿真优化过程与最终电路尺寸。 1 5 g h z 带宽检波器测试表明：8 5 5 g h z 9 8 g h z 带内，电压灵敏度大于 1 0 0 0 m v m w ，9 3 g h z 9 8 g h z 带内，电压灵敏度大于1 5 0 0 m v m w ，9 4 5 g h z 9 7 g h z 带内，电压灵敏度大于2 0 0 0 m v m w ，8 0 g h z 1 0 3 5 g h z 宽频带内，电压灵敏度大 千酞则| 谯羽 2 0 g h z 宽带检波器测试表明：8 3 g h z 1 0 4 g h z 带内，电压灵敏度响应大于 8 0 0 m ，m w ，最好响应达到2 3 0 0 m v m w 。 w 波段检波器研制过程中主要解决了如下关键技术： ( 1 ) 宽带匹配技术：检波器测试结果电压灵敏度大于1 0 0 0m v m w ，相对带 宽为1 6 ；大于1 5 0 0 m v m w 的相对带宽大于5 ；大于8 0 0 m v m w 相对带宽大 于3 0 。 ( 2 ) 小型化技术：通过电路分析和优化设计，设计了满足课题要求的w 波 段小尺寸宽带检波器，电路尺寸为：1 2 3 c m * 1 8 c m 。 关键词：毫米波检波器，放大器，电压灵敏度，宽带，w 波段 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h es c h e m eo fh i g h g a i na m p l i f y i n g - d e m o d u l a t i o ni sa d o p t e di no u r m i n i a t u r i z a t i o nr a d i o m e t e rr e c e i v e rc h a n n e l ，w h i c hi sb a s e do no u ra n a l y s i so n r a d i o m e t e ra r c h i t e c t u r e i no r d e rt om o d e lo u rr e s e a r c h i n gf r o n t e n dc h a n n e ls y s t e m ，t h e c o s i m u l a t i o nw o r ko ft h es y s t e mi sf u l f i l l e dw i t he ms i m u l a t i o ns o f t w o r eh f s s ，c s t a n dc i r c u i t s i m u l a t i o ns o t h v o r ea d s i no r d e rt or e a l i z eo u rw i d eb a n dr e q u i r e m e n t ，t w ok i n d so fw i d eb a n dm a t c h i n g a r c h i t e c t u r e sw i t ht h ef o r mo fm i c r o s t r i pa r ep r o p o s e d b yo u ro p t i m i z a t i o nd e s i g n p r o c e s s ，t w ok i n d so fw i d e b a n dd e t e c t o rc i r c u i tt o p o l o g ys t r u c t u r e sw i t h15g h za n d 2 0g h zb a n d w i d t ha r ea c c o m p l i s h e d t h r o u g hu s i n gv i ah o l et e c h n o l o g yi nt r a n s i t i o n s i m u l a t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fs i w , t h er e s o n a n c ep m b l e mo ft r a n s i t i o ni se f f e c t i v e l y a v o i d e d ，an o v e lf i l t e rt o p o l o g yw h o s es t r u c t u r ei ss i m p l ea n dr e l i a b l ei sp r o p o s e d a n d a tl a s tt h ew i d e - b a n da m p l i f ys i m u l a t i o nw o r ka n dc i r c u i ta r c h i t e c t u r ei sp r e s e n t e d t h et e s t i n gr e s u l to ft h ed e t e c t o ri n l5g h zb a n d w i d t hi n d i c a t e st h a tt h ev o l t a g e s e n s i t i v i t yi sa b o v e10 0 0 删| 心鼬f r o m8 5 5 g h zt o9 8 g h z ，f r o m9 3 g h z t o9 8 g h z ，t h e v o l t a g es e n s i t i v i t yi sa b o v e 15 0 0m v m w , f r o m9 4 5 g h zt o9 7 g h z ，t h ev o l t a g e s e n s i t i v i t yi s a b o v e2 0 0 0m v m w , w h i l ef r o m8 0 g h zt o 1 0 3 5 g h z ，t h ev o l t a g e s e n s i t i v i t yi sa b o v e6 0 0 m v m w t h et e s t i n gr e s u l to ft h ed e t e c t o ri n2 0 g h zb a n d w i d t hi n d i c a t e st h a tt h ev o l t a g e s e n s i t i v i 够i sa b o v e8 0 0 m v m wf r o m8 3 g h zt o l0 4 g h z ，a n dt h eb e s tr e s p o n s eo ft h e v o l t a g es e n s i t i v i t yi s2 3 0 0 m v m w i no f u r e s e a r c hw o r ko ft h ed e t e c t o r , w eh a v er e s o l v e dt h ef o l l o w i n gk e y t e c h n o l o g y ： ( 1 ) w i d e - b a n dm a t c h i n gt e c h n o l o g y ：t h es i m u l a t e dr e l a t i v eb a n dw i d t ho ft h e d e t e c t o ri so v e rt w e n t yp e r c e n t ，t h ev o l t a g es e n s i t i v i t yi sa b o v e10 0 0 m v m wi nr e l a t i v e b a n d w i d t ho v e r16 ，t h ev o l t a g es e n s i t i v i t yi sa b o v e15 0 0m v m wi nr e l a t i v e b a n d w i d t ho v e r5 ，a n dw h i l ef r o m8 0 g h zt o10 7 g h z ，t h ev o l t a g es e n s i t i v ei sa b o v e 8 0 0 m v m w ( 2 ) m i n i a t u r i z a t i o nt e c h n o l o g y ：b a s e do no u ra n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nw o r k ，o u r i i a b s t r a c t r e q u i r e dm i n i a t u r ea n dw i d eb a n dw b a n dd e t e c t o ri s d e s i g n e d a n dt h ec i r c u i t s d i m e n s i o ni s1 2 3 c m * 1 8 c m k e yw o r d s ：m i l l i m e t e rw a v ed e t e c t o r , a m p l i f i e r , v o l t a g es e n s i t i v i t y , w i d e 。b a n d ，wb a n d i i i 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。 日期：口孵年j 月妇 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：导师签名：猿永泌 日期： h 8 年j 月f t l e t 第一章引言 第一章引言 1 。1 辐射计的国内外发展概况 辐射计是工作在微波波段的无源遥感传感器，被动接收目标以及环境的随机 微波噪声，实现对目标物信号检测，衡量接收通道性能好坏的指标为温度分辨率， 数值越小，通道性能越好，反之，通道性能越差。从二十世纪4 0 年代运用于观测 来自银河方向的天电噪声开始，微波辐射计得到了充分发展。从开始的米波辐射 计发展到现在的毫米波亚毫米波辐射计，从最早用来观测外太空天电噪声发展到 现在运用到农业、林业、土地利用、寻找地下矿藏等诸多方面【1 】【2 】。随着空间技术 的发展，人们将辐射计安装到探测卫星上，由于卫星上可利用空间稀缺，这就促 使体积更小的辐射计的发展。 半导体工艺与成本问题【3 】，早期辐射计第一级一般为混频器，辐射计前端噪声 太大，严重限制了辐射计检测目标物能力，随着半导体技术发展、尤其是毫米波 l n a 半导体技术的发展，辐射计性能得到极大的改善，而由于我国半导体技术的 落后以及国外在毫米波器件领域的禁运，目前国内仍然已混频式为主。 国外方面，5 0 年代末，德克萨斯大学s t r a i o n 为测试太阳和大气衰减而研制了 波长为4 3 m m 的微波辐射计 4 1 ，并对水、树木、草和沥青等目标物进行了实验研 究。 1 9 6 8 年，苏联发射了2 4 3 号卫星，它装有四通道微波辐射计装置，这是世界 上首次对地球进行被动成像研究，同时也拉开了研究多波束、多通道、高集成度 小型化微波辐射计的序幕【5 1 6 1 。 1 9 7 2 年和1 9 7 5 年，美国先后发射的“雨云5 号”和“雨云6 号”海洋卫星上分别 装有1 9 3 5 g h z 和2 2 3 g h z 微波辐射计【7 】 t r w 公司的w 波段焦平面阵列实时成像系统中【8 】f 9 】，采用m m i c 直接检波式 接收，接收机共有4 0 x 2 6 个接收通道，每个接收通道尺寸仅为7 x 2 m m 2 。 美国f c r a o 射电天文台中的焦平面阵列无源探测系统，采用超外差接收，射 频前端采用两级级联m m i c 低噪声放大器，二次谐波混频技术【i o 】【1 3 】。 1 9 9 3 年，欧洲航天中心( e s a ) 为其p l a n k 计划研制的高性能辐射计采用直接 检波式接收体制，利用混合集成电路工艺设计，射频低噪放m m i c 模块尺寸仅为 电子科技大学硕士学位论文 2 1x 0 8 r a m 2 ，系统噪声温度3 0 k 1 1 】 1 9 9 3 年g s d o w 等人采用o 1 , u mi n g a a s h e m t 器件技术，实现了前置放大 器的检波器电路【1 2 】，芯片尺寸为：3 2 m m 1 2 m m ，检波器切线灵敏度z 。= 4 0 d b m ， 电路采用o 1 a m 栅长i n g a a s h e m t 工艺技术，实现了全单片结构的m m i c 直接 检波式接收机，芯片尺寸为：3 5 m m * 1 5 m m ，在频带9 0 g h z 9 5 g h z 内，放大器增 益g = 1 7 d b 1 9 d b ，噪声系数为5 0 d b 5 5 d b ，总直流功耗为1 6 0 m w ，测试表明： 输入功率为己= 9 0 d b m 时，电压灵敏度约为2 0 0 0 v m w ( 经过放大后) 。在缩小体 积同时获得了高系统电压灵敏度。 2 0 0 0 年，日本发射的a d e o d i i 上面装有先进微波扫描辐射计( a m s r ) ，以 及美国发射的e o s p m 卫星上装有多通道微波扫描辐射计【1 4 】。 2 0 0 3 年j u s s i t u o v i n e n 等人对毫米波辐射计技术进行了深入的研刭1 5 】，并详述 7 0 g h z 的欧洲航天中心( e s a ) 计划的低噪声、高稳定接收机模型，采用双路电 桥结构降低前端噪声，前端放大器部分被冷却到2 0 k ，后端检波器部分为3 0 0 k ， 系统带宽为1 6 g h z ，该模型在多通道成像系统方面的应用潜力巨大，通道系统如 图1 - 1 ： 盏器p i g r n t t - i 魄di t k ；b 托b e 娃娃3 0 0k 图1 1 毫米波辐射计接收通道 2 0 0 4 年j n s c h u l m a n 等人利用s b h e t e r o s t u c t u r e 1 6 】【1 7 1 管制成了w 波段直接检 波式电路，利用阻抗匹配法验证表明，w 波段，功率灵敏度可达：1 1 5 0 0 m v m w ， 测试显示：w 波段，功率电压线性度非常好，且最后响应可达：8 0 0 0 m v m w 。 2 0 0 5 年，l w u 等人研究了w 波段双通道毫米波辐射计【1 8 】，具体参数如 2 第一章引言 表1 1w 波段双通道毫米波辐射计技术指标 指标参数数值 中心频率2 1 7 g h z ；3 5 g h z 1 3 m m3 1 6d b 噪声系数 8 m m3 8d b 1 3 m m0 0 8 8 k 仿真灵敏度 8 m mo 1 0 3 k 1 3 m m5 0 m h z 带宽 8 m m5 5 0 m h z 1 3 m m0 1 6 2 k 实测灵敏度 8 m m0 2 0 2 k 国内方面，2 0 0 2 年南京理工大学的汪敏等人对8 m m 直接检波式接收机进行了 研究【1 9 1 ，课题以弹栽被动毫米波成像为应用背景，电路采用阵列形式的直接检波 式接收体制( 外界温度t = 2 9 0 k ，各种衰耗l = i 8 d b ) 。 表1 28 m m 波段直接检波式接收机技术参数 目标亮温 一 3 0 3 5 0 k 接收机可用带宽 6 g h z 实际使用带宽 2 g h z 系统噪声温度z 4 0 0 - 4 2 0 k 温度灵敏度 o 3 l k l n a 噪声系数 3 0 8 d b l n a 尺寸1 7 2 r a m * 1 0 8 m m * 0 10 m m * 2 0 0 2 年，李靖等人开展了星载w 波段毫米波辐射计研究【2 0 1 ，电路仍然采用超 外差接收体制，本振频率为9 0 5 g h z ，w 波段辐射计前端技术指标如下： 表1 - 3w 波段辐射计前端技术指标 中心频率工作频带灵敏度噪声系数 9 2 0 g h z9 1 9 3 g h z o 6 k8 7 d b 2 0 0 4 年，电子十所黄建等人研制了w 波段辐射计接收通道【2 1 1 ，测试表明：系 3 电子科技大学硕士学位论文 统噪声系数n f 5 3 d b ，对草地、水泥路面成像温度灵 敏度为0 3 2 k 。 2 0 0 7 年，电子科技大学宋伟对辐射计关键部件w 波段检波器进行了研究【2 2 】， 测试表明9 2 g h z 9 6 g h z 带内，电压灵敏度约4 0 0 m v m w ，切线灵敏度3 7 d b m 。 综上所述：国外早在9 0 年代，已实现了直接检波式接收通道的全单片化、小 型化，而由于金费、工艺水平等的限制，国内目前以及今后相当长一段时间内， 仍已混合集成电路为主，并最终实现电路单片化。 论文要求实现辐射计前端高温度灵敏度、宽带指标的前提下，力求小型化， 满足阵列通道系统对单通道小型化的苛刻要求。 1 2 辐射计的三种体制 1 2 1 间接混频超外差式通道体制 图i - 2 间接混频式超外差接收体制 超外差式【2 1 接收机技术成熟，但结构复杂，本振信号产生复杂；功耗高，小型 化实现困难，结构复杂。 1 2 2 直接混频超外差式通道体制 图1 3 直接混频式超外差接收体制 超外差式接收机技术成熟，但结构复杂，本振信号产生复杂；功耗高，小型 4 第一章引言 化实现困难。 1 2 3 直接检波式通道体制 图1 _ 4 直接检波式接收体制 直接检波接收机【3 1 将射频信号低噪声放大，由毫米波检波器直接检波，其结构 简单、功耗低、噪声小、体积小，成本低于间接混频式超外差接收机，噪声优于 间接混频式超外差接收机，特别适合应用于毫米波阵列无源成像系统。 本课题将采用直接检波式方案实现w 波段小型化通道系统。 1 3 论文的主要研究工作 本文主要研究工作为：1 5 g h z 带宽三毫米波宽带检波器电路研制，为了进一 步拓展低驻波带宽，进一步优化匹配电路拓扑结构，并对2 0 g h z 带宽检波器进行 了研究，实现更宽频带的低驻波特性，发挥检波器在频率高端的灵敏度潜力；同 时通过优化设计，实现了检波器电路的小型化，满足通道系统对单部件小型化的 苛刻需求；在此基础上，对三毫米波宽带放大器进行了仿真研究。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章毫米波辐射计接收通道基本原理 2 1 辐射计基本原理 2 1 1 基本工作原理 微波辐射计【m 1 11 是无源传感器，是靠接收被测物的微波辐射信号进行工作。由 天线系统、高灵敏度接收机和数据处理系统组成。如图2 1 所示，把辐射计天线的 主瓣对准目标，接收目标微弱的微波辐射信号，经由接收机处理，输出检波电压， 供给数据处理系统处理，输出目标的被测指标( 3 z 要是亮度温度) 。其主要技术指 标是温度分辨力和空间分辨力。 辐射计的工作原理主要是基于普朗克黑体辐射定律以及导出的一些相关定理， 根据此定理，在温度t 和频率f 时，黑体亮度是 母= 斟赴 - l 协- ， 式中b ，一黑体亮度， 一普朗克常数( 6 6 3 x1 0 。3 4 ) ，c 一光速，厂一频率，七一波 尔兹曼常数( 1 3 8 1 0 五3 ) ，t - 一温度 在h f k t 1 一织和 2 劬一伤两个频率分量最接近主频率q 和国：，将落在通带内产生干扰，这两个频 率分量称为三阶交调分量。 设三阶交调分量功率为只，信号q 或国：功率为异，则三阶交调系数定义为： m 3 = 1 0 l o g 鲁( 拙) 协3 2 ) 有时为了测量方便，也用l d b 增益压缩点作为放大器的非线性指标。放大器在 小信号工作时，其功率增益保持不变，但随着输入信号的不断增大，放大器进入 非线性区，这时功率增益将随输入增加而逐渐下降，当增益下降到比线性增益低 l d b 时，所对应的输出功率即定义为l d b 压缩输出功率异。l d b 增益压缩点和三 阶交调系数的近似关系为：l d b 增益压缩点所对应的三阶交调系数为2 3 d b c 。 2 3 检波器基本理论 2 3 1 检波器基本原理 检波器是利用某些固态器件的非线性特性产生直流或低频电流及电压口7 2 钔， 用以检测毫米波功率。典型的无偏压毫米波检波器原理图如图2 - 4 所示。 毫 挫壮垃 似吕 l i _ ， 喜乞c p 牛r ； 信号输入匹配网络 l 图2 4 典型无偏压毫米波检波器原理图 电路中l 。是检波器的低频通路，c 。是毫米波信号通路，r ，是负载电阻。输入匹 配网络用来使检波管与信号源阻抗匹配，输出低通滤波器用于消除检波管上产生 的高次谐波，输出直流或低频信号。保证检波器输入低驻波比，提高灵敏度，就 是如何使检波器的输入阻抗与信号源阻抗实现频带内的完全匹配。 检波二极管的等效电路如图2 5 所示。该简化的二极管等效模型包括一个与偏 压有关的结电阻尺，和结电容c ，以及一个由接触、衬底和扩散电阻引起的串联电阻 尺。，同时还有引线电感三。和封装电容c 。 1 4 第二章毫米波辐射计接收通道基本原理 图2 - 5 检波管等效电路 检波二极管的伏安特性为： f ( 矿) = ，。( e x p ( n - 卷f ) 一1 ) ( 2 3 3 ) 其中，t 为二极管的反向饱和电流，典型值从1 0 - 6 - 1 0 - 1 3 安培不等，且受势垒高度、 结面积和温度影响。v 是二极管结两端的电压；q 是电子电荷；k 是波尔兹曼常数； t 是绝对温度；n 是理想因子，用来计入不可避免的结缺陷和其他热电子发射之外 的次要效应( s e c o n d a r yp h e n o m e n a ) ，它总是大于1 的，并且应该小于1 2 。 检波二极管的结电容也随外加电压而变化 铲多2 南 3 4 ， 式中：c ，o 是零偏压时的结电容；巾是二极管势垒电位；丫是电容非线性系数，一 般为0 5 左右。 当外加一小的交流电压8 v 时，式( 2 - 3 3 ) 可用泰勒展开式表示为： 妒h c ”6 y 乳+ 等等卜+ 等等卜一 浯3 5 ， 式中：v o 是直流偏压；厶是直流或平均偏流；6 v 是二极管结两端的交流电压。 当8 v = 圪c o s ( o ) 。t ) ，且高于二阶的项可忽略不计时， 价咿例吖，甜寺v 2 c o s 2 c 吖，乳3 6 ， 式中：。是载波频率；圪是载波峰值幅度。 二极管电流包含由外加偏压引起的直流项，g o 。项以及由下式给出的二阶整流 项： 1 5 g 电子科技大学硕士学位论文 址等”c o s ，乳 3 7 ， 该项由一个直流分量和一个高频分量组成，它们正比于输入信号的电压平方值， 即功率，而直流分量大小通过定标即可表征毫米波信号功率大小。 以上分析的是单纯的正弦信号，推而广之，检波器是用来提供包含输入信号 的“信息的一个输出信号，也就是说，包含信号的幅度或幅度的变化。就一般 情况而言，考虑有下式给出的调幅输入信号： 1 ，( f ) ：矿pi n ( c o 。) + 华 。一0 9 m ) 一。) 】( 2 3 8 ) s i n ( c o t c o s ( c o t c o s ( e o - i - 0 9 t 1 ，( f ) = 矿p。) + i 卫 。一) 一。) 】l 么一 二 式中：v ( t ) 是瞬时信号电压；。是载波频率；圪是载波电压幅度；。是调制信号 频率；m 是调制指数，一般为0 1 。 相 对 幅 度 1 1 2 相 国c 一国研缈c功c + 彩坍 图2 6 基本调幅信号检波后频谱分布 1 6 第二章毫米波辐射计接收通道基本原理 如图2 6 所示的调制指数m = o 5 时的输入信号和平方律检波输出信号的频谱， 表2 1 中列出二极管中产生的输出信号分量和相对幅度，这是通过将式( 2 - 3 8 ) 代 眦嗡，得龇相对幅度乘以孚等l ，。就矧各输出分量的真实幅度。 表2 - 1 输出信号分量和相对幅度 频率相对幅度 d c 2 c o c + - - 2 c o , 国掰2 m 聊2 2 2 ，衍 2 c o c l + 一 2 m 2 缈。c o 。 m 2 2 c o 。2 缈。 4 2 3 2 检波器主要技术指标 1 电流灵敏度 检波器的电流灵敏度定义为下式： p ；= f l d 上j ( 2 - 3 9 ) 式中：是检波器输出端为短路时的检波电流；是加在二极管上的毫米波信号 功率。 在毫米波小信号情况下，输入信号电压为圪，但实际加到二极管结上的电压 将受分布参数的分压和旁路。如果检波管的厶和e 足够小，而且电路元件三，和q 足够大，加到检波管结上的电压巧只受到足降压和q 分流的作用 1 7 电子科技大学硕士学位论文 y j2 一 2 4 。) 假设实际加到二极管结上的毫米波信号是，= 巧c o s ( ，f ) 时，经非线性整流出 的电流分量乞可以用式( 2 3 7 ) 得到 卜竽 1 + l d2 l j + q = 竿 - i - = 一_ i 4 ( 2 - 4 1 ) 式中0 【= 棚，考虑到r 的影响后，二极管整流出的短路直流为 卜竿蚩去 倍4 2 ， 二极管吸收的毫米波信号功率是 只= 三乒r e 【巧】= 三2 2 l r l jf i - + 惫 + ( ，c ，) 2r ， c 2 4 3 ， 式中：巧是二极管对毫米波信号的导纳；圪是外加毫米波信号电压幅度。 根据定义，检波器电流灵敏度d ，又称短路电流灵敏度，其表达式如下式所 示。单位为纠矿。 2 电压灵敏度 检波器的电压灵敏度定义为： ( 2 - 4 4 ) 矿 屏2 毒 _ 4 印 式中：圪是检波负载电阻上的电压；只是加在二极管上的毫米波信号功率。 根据短路电流灵敏度可以算出负载电阻冠近似为无限大时的开路电压灵敏度 盟旦q 1 j 1 j 、j、， f f ， ， 2 ，、i ，l，l s s 0 0 c c 面 一扎一冰一4 弓 一 一， = 0 一e 第二章毫米波辐射计接收通道基本原理 艮。= 艮i 巧葡当负载r 不是无限大时，实际电压灵敏度艮是 驴而鬲商再硐防4 6 ) 当忍墨时，电压灵敏度近似为 艮2 石耵丽u v v v 丽j 。4 7 3 视频电阻 检波器的视频电阻是二极管对低频信号，即检波器输出的视频信号所呈现的 阻抗。当把二极管作为检波器使用时，视频电阻就是后级放大器输入阻抗的设计 依据。应使后级视频放大器输入端与检波器视频电阻呈现最佳匹配。 在较低的视频情况下，二极管视频电阻可以近似为r = r + r ，常用的检波 二极管视频电阻在零偏置附近时大约是1 - 3 后q 。 4 最小可检测功率 由于检波二极管的噪声，使检波器可检测的最小信号受到限制。当被检测信 号输出电压等于二极管噪声等效电压时，检波器输入端的被测信号功率就是最小 可检测功率。 检波管的噪声有电阻热噪声、电流散弹噪声和闪烁噪声。 电阻热噪声是由电阻足产生，由下式给出： v 。2 ：= 4 k 豫，矽( 2 - 4 8 ) 矽为频带宽度。 电流散弹噪声电压由下式给出： 、2 砌后珥( 觜p 协4 9 ， 闪烁噪声随1 厂变化，可近似表示为： 1 9 电子科技大学硕士学位论文 飞2 圳n ( + 等) 沼5 。， 式中：五是测量带宽矽的频率下限；a 是由二极管闪烁噪声决定的常数，取决于 二极管质量。 当闪烁噪声等于结电阻上闪弹噪声时的频率称为拐角频率z ，并且厶很小时， 近似得 丘= 丽a n ( 2 5 1 ) z 托 j 代入( 2 5 0 ) 式，得： 2 _ 2 础巩仙( 1 + 等 协5 2 ) 实际应用中，小信号检波器的后级放大器也引入噪声， 为兄时，放大器产生的热噪声是： _ 2 2 = 4 k t ra f 放大器等效噪声电阻 综合上述4 项噪声来源，可得放大器后面输出总噪声是： v 。2 = 4 尼丁g 2 r7 + r ，n - 五a f ，n ( + 等) 式中，等效电阻尺是： r = q 争酱心r 检波以后的信号电压经放大器放大后是： 圪= 尾只g 从而得到检波系统的电压信号噪声比为： 2 0 ( 2 5 3 ) ( 2 5 4 ) ( 2 5 5 ) ( 2 5 6 ) 第二章毫米波辐射计接收通道基本原理 熹2 赤2 一= = i = = = n 如j 当闪烁噪声很小时： s bp n2 丽i 蓊- v - - $ 雨 由于二极管优质因数q = 号蒡，在厶= 。时有 q = 南 代入( 2 - 5 8 ) 式得 曼：丝 n4 4 k t a f ( 2 5 7 ) ( 2 5 8 ) ( 2 5 9 ) ( 2 6 0 ) 当信噪比为1 时的信号功率就是最小可检测功率血 e s m i a 孕4 4 k t a f c 形，6 - ， 最小可检测功率主要取决于检波器的优质因数q 和工作带宽。 5 切线灵敏度 切线灵敏度常用英文缩写t s s 表示，有时直译为正切灵敏度。切线灵敏度定 义是骑在检波电压圪上负噪声峰值等于无信号时的噪声峰值。当被测毫米波信号 为方波调制信号或是矩形高频脉冲信号时，检波输出电压波形如图2 7 所示。 2 1 电子科技大学硕士学位论文 图2 7 切线灵敏度的信号不意图 在噪声峰值相切的情况下，电压之间的关系是： 圪= 2 匕2 4 2 v 式中：是噪声电压峰值；k 是峰值所对应的电压有效值。 根据( 2 4 5 ) 式可得： 圪= 屏b = 2 4 2 v 当二极管闪烁噪声不大时， 切线灵敏度瓦： 瓦= 警= 近似得切线灵敏度： 上式中的只就是切线灵敏度所对应的功 q ( 2 6 2 ) ( 2 6 3 ) 率，简称 ( 2 6 4 ) = 2 8 b 曲 ( 2 6 5 ) 切线灵敏度大约是最小可检测功率得2 8 倍，用分贝表示近似是4 d b 。 6 动态范围与烧毁能量 检波器在输入信号很小时，检波特性呈平方律曲线。也就是说，输出电压正 比于输入电压的平方，即正比于输入功率。当输入功率增大时，检波器呈线性工 作状态，输出电压正比于输入电压。检波输出电压与输入毫米波功率的关系曲线 如图2 8 所示： 第二章毫米波辐射计接收通道基本原理 - 6 0 - 4 02 0 02 04 0 图2 - 8 检波器饱和特性 平方律检波区和线性检波区的转变点通常称为压缩点，见图2 8 中的a 点。 增加直流偏置可以提高压缩点，来扩展平方律检波特性范围。 检波信号功率大于切线灵敏度疋。、小于压缩点这两者之间的功率范围称动态 范围。随着工作偏流的增加，压缩点提高，z 。也升高。但由于压缩点提高得更快所 以动态范围有所增加。 当输入毫米波功率增大n - 极管上的反向偏压达到击穿点时，反向电流出现， 它将抵消一部分正向检波电流，使输出电压下降，这就是饱和现象的原因。见图 2 7 中曲线b 点以上的弯曲线段，输入信号功率进一步增强，过大的电流损耗将使 二极管结温上升。由于检波管结面积较小，通常直径为1 2 0 p m ，过高的功率密度 将使二极管烧毁。二极管能承受的最大电过载能量称抗烧毁能量，单位常用尔格， 也有的检波器抗烧毁能力用所承受的最大脉冲功率来表示，这是由于用脉冲进行 抗烧毁能力测量，在工程实用上比较方便。这时往往要同时注明烧毁时得脉冲功 率、脉宽和重复频率。 2 4 视频放大器基本原理 当检波电压不高的时候，就需要一个外加直流运放来放大直流电压，实现对 目标物视频信号放大【3 0 】。 图2 - 9 是同相输入放大器的示意图。 舢 姗 瑚 。 叭 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 9 同相输入运放 同相输入放大器的放大倍数为： 勺= 音小鲁 协6 6 ) 其中，髟为反馈电阻，吃为输出视频电压，m 为检波后视频电压 第三章三毫米波宽带检波器电路的研制 第三章三毫米波宽带检波器电路的研制 3 1 三毫米波宽带检波器电路方案 在检波器工作时，通过结电阻r ，的电流是有效的检波电流，结电容c ，与r ，并 联，具有旁路作用，将降低检波灵敏度，而电阻足是和结电阻串联，将对有用信 号进行分压。因此，在检波中应保持串联电阻足远小于结阻抗，同时结电容的容 抗要远大于结电阻。从检波管制造工艺来看，为了使c ，减小，应该使结面积减小， 就必然引起足增大。根据c ，和r 的综合效果考虑，可以用截止频率：来说明 ，- 1 厶= 2 n r (3-1),cio 式中，q 。是指工作点上的结电容。为获得高灵敏度检波，应有： 。 1 0 f o 式中厶是指检波器工作频率。也可以近似写成： c 旦 | r s f 、 综合上述考虑，我们选用了a g i l e n t 公司的h s c h 9 1 6 1 弓 图3 - 1h s c h 9 1 6 1 小信号线性模型 o l 广 守辛 l 广 0 图3 - 2h s c h - 9 1 6 1 s p i c e 模型 2 5 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 0i士干占 电子科技大学硕士学位论文 而s p i c e 参数如下表所示： 表3 - i h s c h 一9 1 6 1s p i c e 参数 p a r a m e t e ru n i t sd 1d 2 鼠 y 1 01 0 c j ap f 0 0 3 00 0 3 0 e g e v1 4 21 4 2 1 8 y 彳 1 0 e 一1 21 0 e 1 2 is 彳1 2 * 1 0 e 68 4 1 0 e 一6 n 1 24 0 0 bq 5 01 0 ( 巧) 矿 o 2 6 0 2 6 弓( x t i ) 22 m0 5o 5 我们将采用场仿真软件h f s s l 0 0 、c s t 5 0 ，路仿真软件a d s 完成整个设计 过程，由于系统对检波器尺寸要求苛刻，因此寻求结构简单宽带匹配电路拓扑就 成为电路设计的重点和难点，宽带检波器电路方案如图3 3 所示： 图3 - 3 三毫米波宽带检波器电路结构 检波器拟订指标为：8 5 g h z 1 0 0 g h z 带内，电压灵敏度大于4 0 0 m v m w ， s n 1 0 db ，切线灵敏度t 鹃 - 4 0 d b m 。 设计宽带，高灵敏度检波器有两个难点； 第一：宽带具有良好阻带抑制性能且和输入端耦合较弱的滤波器的设计，保 证射频信号被最大化滤除的同时，较弱因输入，输出电路耦合造成的电压灵敏度 的下降。 第二：宽带匹配拓扑电路结构的研究设计，保证射频信号最大化作用到检波 管。 2 6 第三章三毫米波宽带检波器电路的研制 3 1 过渡结构的仿真 各类渐变鳍线到矩形波导的过渡是毫米波固态电路设计中的一个十分重要的 问题，应用渐变鳍线可以实现微带( 或鳍线) 到波导的宽带过渡。在毫米波混合 集成电路中，微带到矩形波导间的过渡通常都通过制作在它们之间的对脊鳍线来 实现。具体结构见图3 4 ，在图中，过渡被分为两部分，第一部分是一对渐变的对 脊鳍线，它将波导中的t e 。模旋转9 0 。变成在对脊鳍线重叠部分中的准微带传输模 式，并且还将高阻的t e , 。波导模转换到接近标准微带线的5 0 q 。第二部分则将对 脊鳍线过渡到标准微带线【3 1 】【3 2 】【3 3 】。 第一部分第二部分 图3 _ 4 对脊鳝线过渡结构图 对于其中的渐变曲线，为了比较实际和应用方便，工程上一般采用比较典型 的渐变曲线，如：指数线渐变、抛物线渐变、余弦线渐变和余弦平方线渐变的阻 抗分布。另外，m i r s h e k a r 等提出了一种槽宽曲线经验公式也很适用，这就是： 啊 以z ) = b 一( 6 一们s i n 2 ( 三 ) 0 z l ( 3 4 ) z l 其中：w ( z ) 为鳍缝宽度，b 为矩形波导口窄边宽度，w 为微带线宽度，一般为 标准的5 0 f 微带线宽度，z 为过渡段长度，可根据需要选取，但是为了保证鳍线过 渡段的效果，一般应当选取州4 的整数倍。同时，为了抑制波导夹缝中毫米波能量 传输带来的损耗，通常都要采用梳状高阻滤波器结构，即在波导夹缝内的金属鳍 上沿纵向制作梳状结构。这种结构可以截断纵向电流，抑制纵向电流的传输。鳍 线过渡与加脊波导相比，它可以使电探针与整个微带电路制作在一块集成电路上， 其电路尺寸比加脊波导和e 面探针过渡都小。目前在毫米波频段，鳍线过渡已经 得到了广泛的应用，因此技术较为成熟。它可以同传输线、阻抗变换器、微带谐 振器和微带滤波器做在一块基片上，安装比较方便，易于集成和调试。 基于通道系统的需求，本文过渡电