Ka頻段低噪聲接收前端設(shè)計(jì)

熊文毅

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

毫米波頻段因?yàn)楦叩念l率而擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):可利用的頻譜資源豐富,可用帶寬達(dá)幾吉赫,為高速信息傳輸提供了良好條件;波長(zhǎng)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(shù),可以更好實(shí)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(nèi)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(dāng)天線尺寸受限時(shí),降低接收系統(tǒng)內(nèi)部噪聲就成為一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。

就內(nèi)部噪聲中的熱噪聲而言,影響最大的是接收前端最前級(jí)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(shù)(Electron Beam Lithography)的成熟應(yīng)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(zhǎng)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(gòu)。

本文通過對(duì)影響接收前端噪聲系數(shù)指標(biāo)的各項(xiàng)因素進(jìn)行分析,并針對(duì)性地采取優(yōu)化措施,最終利用商用MMIC低噪聲放大器實(shí)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(shè)計(jì)

2.1 接收前端電路原理

Ka頻段接收前端對(duì)接收到的微弱射頻信號(hào)進(jìn)行放大,再下變頻到C頻段中頻信號(hào)后放大輸出。

接收前端主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 接收前端主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical parameters of receiver front-end

根據(jù)多級(jí)器件噪聲系數(shù)公式[1]可知,第一級(jí)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(jí)低噪聲放大器較高的增益可以降低后級(jí)電路對(duì)總噪聲系數(shù)的影響。

依據(jù)上述原理,對(duì)表1各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析,設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

為了降低接收前端噪聲系數(shù),可采取以下手段:

(1)設(shè)計(jì)低損耗的波導(dǎo)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(yán)格尺寸要求的系統(tǒng),如深空探測(cè)等地面接收站,不適合于本項(xiàng)目。

2.2.1 波導(dǎo)微帶過渡設(shè)計(jì)

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

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

表2 波導(dǎo)微帶過渡特性對(duì)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)進(jìn)行90°轉(zhuǎn)彎的反射端面采用了雙臺(tái)階形式,提高了傳輸帶寬,同時(shí)簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖3為2個(gè)波導(dǎo)微帶過渡背靠背測(cè)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(zhǎng)RT/Duroid 5880微帶線的損耗約有0.2 dB,因此單個(gè)波導(dǎo)微帶過渡的損耗小于0.3 dB。

圖3 2個(gè)波導(dǎo)微帶過渡測(cè)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(jí)器件噪聲系數(shù)公式[1]可知,前級(jí)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(jí)電路對(duì)噪聲系數(shù)的影響。因此接收前端包含了兩級(jí)低噪放,第一級(jí)低噪放按最小噪聲系數(shù)進(jìn)行選擇,第二級(jí)低噪放在兼顧噪聲系數(shù)的同時(shí),提供足夠的增益,確保后級(jí)電路對(duì)總體噪聲系數(shù)的影響最小。

國(guó)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(guó)內(nèi)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(duì)比,本方案選擇了一款在本方案工作頻段內(nèi)噪聲系數(shù)最低的低噪聲放大器。器件的噪聲系數(shù)指標(biāo)見圖4所示,工作頻段內(nèi)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(biāo)Fig.4 Noise figure of LNA

為了兼顧增益、駐波等指標(biāo),低噪聲放大器芯片的匹配設(shè)計(jì)都不是最佳噪聲匹配。根據(jù)這一特點(diǎn),微調(diào)波導(dǎo)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(diào)時(shí)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(jì)了。對(duì)不同厚度微帶線和不同鍵合數(shù)量金絲(25μm 直徑)進(jìn)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?？紤]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(gè)方面:器件幅頻特性的影響;器件駐波和級(jí)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(jí)聯(lián)器件多達(dá)十幾個(gè),器件帶內(nèi)幅頻特性級(jí)聯(lián)累計(jì)影響較大。因此在器件選擇時(shí)必須注意:選擇帶內(nèi)平坦的器件;成對(duì)選擇帶內(nèi)幅頻特性反向的器件。在器件環(huán)節(jié)確保帶內(nèi)平坦度滿足要求。

射頻濾波器的帶內(nèi)平坦度至關(guān)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(duì)帶內(nèi)平坦度進(jìn)行最佳優(yōu)化。

Ka頻段,信號(hào)波長(zhǎng)與電路尺寸接近,器件端口回波信號(hào)的迭加在極限條件下將導(dǎo)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(hào)的迭加惡化影響[5]。

3 接收前端組裝和測(cè)試

接收前端電路為雙面布局設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)腔體正面為射頻電路,背面為低頻供電、驅(qū)動(dòng)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(biāo)貼器件采用導(dǎo)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(hào)輻射所導(dǎo)致的電路自激和雜波泄露現(xiàn)象,本方案設(shè)計(jì)了波導(dǎo)屏蔽腔對(duì)所有的射頻電路進(jìn)行屏蔽。波導(dǎo)屏蔽腔的尺寸經(jīng)過仿真優(yōu)化,對(duì)射頻信號(hào)呈現(xiàn)波導(dǎo)傳輸截止?fàn)顟B(tài)。

完整的接收前端結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 接收前端結(jié)構(gòu)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(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)。表3為1#接收前端常溫工作條件下的完整測(cè)試指標(biāo)。

圖6 3套接收前端測(cè)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(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)Table 3 Measurement of No1 receiver front-end

4 結(jié) 論

本文分析了影響接收前端關(guān)鍵指標(biāo)的多種因素,采取相應(yīng)優(yōu)化措施并準(zhǔn)確設(shè)計(jì)關(guān)鍵電路,在Ka頻段實(shí)現(xiàn)了小于2.2 dB的低噪聲系數(shù)。優(yōu)化措施及電路設(shè)計(jì)同樣適用于其它毫米波頻段的接收前端設(shè)計(jì)。

[1]甘仲民,張更新,王華力,等.毫米波通信技術(shù)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(shè)計(jì)[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)