Ka頻段低噪聲接收前端設計

熊文毅

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

毫米波頻段因為更高的頻率而擁有獨特的優(yōu)勢:可利用的頻譜資源豐富,可用帶寬達幾吉赫,為高速信息傳輸提供了良好條件;波長短,在同樣的增益要求下,天線口徑和體積更小;窄波束,方向性好,保密性好;借助于成熟發(fā)展的MMIC技術,可以更好實現(xiàn)信道的集成化、小型化,更適合于星載使用。因此,毫米波衛(wèi)星通信已逐漸成為衛(wèi)星通信的主流。

減少外部和內部噪聲的影響可以提高接收靈敏度,增大天線口徑可以提高天線增益和降低外部噪聲影響。但是當天線尺寸受限時,降低接收系統(tǒng)內部噪聲就成為一個非常關鍵的問題。

就內部噪聲中的熱噪聲而言,影響最大的是接收前端最前級放大器的噪聲性能。隨著高電子遷移率晶體管(HEMT)和電子束平版印制技術(Electron Beam Lithography)的成熟應用,MMIC制造工藝不斷提高,毫米波頻段的MMIC低噪聲放大器的噪聲系數(shù)也在不斷降低。采用0.07μm 柵長工藝的MMIC低噪聲放大器,噪聲系數(shù)小于1.3 dB(30GHz),但主要為客戶定制產(chǎn)品,無法采購。

本文通過對影響接收前端噪聲系數(shù)指標的各項因素進行分析,并針對性地采取優(yōu)化措施,最終利用商用MMIC低噪聲放大器實現(xiàn)了滿足要求的噪聲系數(shù)。研制完成的3套接收前端已交付用戶使用,在近1年的系統(tǒng)聯(lián)試中,工作正常。

2 低噪聲接收前端設計

2.1 接收前端電路原理

Ka頻段接收前端對接收到的微弱射頻信號進行放大,再下變頻到C頻段中頻信號后放大輸出。

接收前端主要技術指標見表1。

表1 接收前端主要技術指標Table 1 Technical parameters of receiver front-end

根據(jù)多級器件噪聲系數(shù)公式[1]可知,第一級低噪聲放大器的噪聲性能將直接影響接收前端的噪聲系數(shù),而前級低噪聲放大器較高的增益可以降低后級電路對總噪聲系數(shù)的影響。

依據(jù)上述原理,對表1各項指標進行綜合分析,設計接收前端電路見圖1。

圖1 接收前端原理圖Fig.1 Schematic diagram of receiver front-end

2.2 低噪聲電路設計

為了降低接收前端噪聲系數(shù),可采取以下手段:

(1)設計低損耗的波導微帶過渡;

(2)降低低噪聲放大器前的連接損耗;

(3)選用低噪聲系數(shù)、高增益的放大器;

(4)降低接收前端工作環(huán)境溫度。

降低工作環(huán)境溫度可以有效降低器件的噪聲,但冷卻系統(tǒng)尺寸和功耗較大,常用于無嚴格尺寸要求的系統(tǒng),如深空探測等地面接收站,不適合于本項目。

2.2.1 波導微帶過渡設計

波導微帶過渡位于接收前端的最前級,其傳輸損耗對接收前端的噪聲系數(shù)有直接的影響。

如今的波導微帶過渡形式多樣,包含有脊波導過渡、探針過渡、鰭線過渡、同軸過渡等,其特性對比見表2。

表2 波導微帶過渡特性對比Table 2 Comparison of wave guide-to-microstrip

考慮接收前端接口位置、尺寸、可靠性等要求,本方案選擇E面探針形式[2]的波導微帶過渡,微帶基片采用0.127mm厚度的RT/Duroid 5880。過渡的3D模型見圖2。

圖2 波導微帶過渡3D模型Fig.2 3D-model of wave guide-to-microstrip

通過優(yōu)化探針阻抗變量、短路面尺寸,獲得最低傳輸損耗和最佳回波損耗。在波導進行90°轉彎的反射端面采用了雙臺階形式,提高了傳輸帶寬,同時簡化了結構設計。

圖3為2個波導微帶過渡背靠背測試數(shù)據(jù)。其中包含了12mm的微帶線,總損耗小于0.7 dB。在Ka頻段,12mm長RT/Duroid 5880微帶線的損耗約有0.2 dB,因此單個波導微帶過渡的損耗小于0.3 dB。

圖3 2個波導微帶過渡測試數(shù)據(jù)Fig.3 Measurement result of two wave guide-to-microstrips

2.2.2 低噪聲放大器電路分析

由多級器件噪聲系數(shù)公式[1]可知,前級低噪聲放大器的噪聲系數(shù)決定了接收前端的噪聲系數(shù),而放大器較高的增益可以削弱使后級電路對噪聲系數(shù)的影響。因此接收前端包含了兩級低噪放,第一級低噪放按最小噪聲系數(shù)進行選擇,第二級低噪放在兼顧噪聲系數(shù)的同時,提供足夠的增益,確保后級電路對總體噪聲系數(shù)的影響最小。

國外已可生產(chǎn)噪聲系數(shù)小于1.3 dB的Ka頻段低噪聲放大器,但僅限于客戶定制。商用貨架產(chǎn)品的噪聲系數(shù)主要還是在2 dB左右。國內也僅可生產(chǎn)噪聲系數(shù)為2 dB的Ka頻段低噪聲放大器。

通過器件對比,本方案選擇了一款在本方案工作頻段內噪聲系數(shù)最低的低噪聲放大器。器件的噪聲系數(shù)指標見圖4所示,工作頻段內噪聲系數(shù)小于1.8 dB。

圖4 低噪聲放大器噪聲系數(shù)指標Fig.4 Noise figure of LNA

為了兼顧增益、駐波等指標,低噪聲放大器芯片的匹配設計都不是最佳噪聲匹配。根據(jù)這一特點,微調波導微帶過渡電路,可以得到一定的噪聲系數(shù)改善[3,4],但在微調時必須注意駐波的變化。

接收前端工作在Ka頻段,鍵合金絲尺寸,微帶線尺寸所帶來的影響已不能忽略不計了。對不同厚度微帶線和不同鍵合數(shù)量金絲(25μm 直徑)進行傳輸損耗仿真。

分析仿真數(shù)據(jù)可知,提高鍵合金絲數(shù)量,降低微帶線高度可以降低傳輸損耗。考慮MMIC低噪聲放大器芯片的厚度為0.1mm,射頻輸入、輸出鍵合區(qū)尺寸為0.1mm×0.1mm,本方案采用0.127mm的基片為微帶傳輸線,輸入輸出采用為雙金絲鍵合連接。

2.3 接收增益平坦度分析

影響接收前端增益平坦度的因素主要有幾個方面:器件幅頻特性的影響;器件駐波和級間匹配的影響;器件組裝、連接的影響。

由圖1可知,接收前端的接收放大、變頻通道上,級聯(lián)器件多達十幾個,器件帶內幅頻特性級聯(lián)累計影響較大。因此在器件選擇時必須注意:選擇帶內平坦的器件;成對選擇帶內幅頻特性反向的器件。在器件環(huán)節(jié)確保帶內平坦度滿足要求。

射頻濾波器的帶內平坦度至關重要。本方案選擇微帶平行耦合線濾波器,在滿足帶外抑制前提下,對帶內平坦度進行最佳優(yōu)化。

Ka頻段,信號波長與電路尺寸接近,器件端口回波信號的迭加在極限條件下將導致平坦度惡化甚至自激。可通過衰減器來提高端口駐波較差器件的回波損耗,降低回波信號的迭加惡化影響[5]。

3 接收前端組裝和測試

接收前端電路為雙面布局設計。結構腔體正面為射頻電路,背面為低頻供電、驅動控制電路,正反兩面通過饋電絕緣子連接。

微帶傳輸線直接焊接在局部鍍銀的鋁腔體上。MMIC芯片和微封裝標貼器件采用導電膠直接粘接在腔體和微帶線上。

為了抑制射頻器件的信號輻射所導致的電路自激和雜波泄露現(xiàn)象,本方案設計了波導屏蔽腔對所有的射頻電路進行屏蔽。波導屏蔽腔的尺寸經(jīng)過仿真優(yōu)化,對射頻信號呈現(xiàn)波導傳輸截止狀態(tài)。

完整的接收前端結構圖如圖5所示。

圖5 接收前端結構圖Fig.5 Structure of receiver front-end

研制完成的3套接收前端的常溫噪聲系數(shù)和增益測試數(shù)據(jù)如圖6所示。圖7為1#接收前端的高低溫條件下的噪聲系數(shù)和接收增益測試數(shù)據(jù)。表3為1#接收前端常溫工作條件下的完整測試指標。

圖6 3套接收前端測試數(shù)據(jù)Fig.6 Measurement result of 3 receiver front-ends

圖7 1#接收前端的高低溫測試數(shù)據(jù)Fig.7 Measurement result of No1 receiver front-end under high-low temperature

表3 1#接收前端測試數(shù)據(jù)Table 3 Measurement of No1 receiver front-end

4 結 論

本文分析了影響接收前端關鍵指標的多種因素,采取相應優(yōu)化措施并準確設計關鍵電路,在Ka頻段實現(xiàn)了小于2.2 dB的低噪聲系數(shù)。優(yōu)化措施及電路設計同樣適用于其它毫米波頻段的接收前端設計。

[1]甘仲民,張更新,王華力,等.毫米波通信技術與系統(tǒng)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.GAN Zhong-min,ZHANG Geng-xin,WANG Hua-li,et al.Millimeter communication technology and system[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2003.(in Chinese)

[2]Yoke-Choy Leong,Sander Weinreb.Full band wave guideto-microstrip probe transitions[C]//Proceedings of 1999 IEEE International Microwave Symposium Digest.[S.l.]:IEEE,1999:1435-1438.

[3]James J-Sowers,Michael Willis,Thanh Tieu,et al.A space-qualified,hermetically-sealed,Ka-band LNA with 2.0dBnoise figure[C]//Proceedings of 2001 IEEE GaAs IC Symposium on 23rd Annual Technical Digest.[S.l.]:IEEE,2001:156-161.

[4]Dong-Pil Chang,In-Bok Yom,Seung-Pal Lee.Development of a receiver down converter module for Ka-band satellite payload[C]//Proceedings of 2003 IEEE International Conference on Microwave Symposium Digest.[S.l.]:IEEE,2003:1589-1592.

[5]顧其諍.微波集成電路設計[M].北京:人民郵電出版社,1978.GU Qi-zheng.Microwave integrated Circuit Dedign[M].Beijing:People′s Posts and Telecommunications Press,1978.(in Chinese)