用于合成孔徑輻射計(jì)的集成接收機(jī)設(shè)計(jì)

文瀟凡，夏同生，苗俊剛，孫國琳

（北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191）

用于合成孔徑輻射計(jì)的集成接收機(jī)設(shè)計(jì)

文瀟凡，夏同生，苗俊剛，孫國琳

（北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191）

采用0.13 μm GaAs pHEMT工藝，提出一種Ka波段低噪聲下變頻單片式微波集成接收機(jī)，可滿足合成孔徑輻射計(jì)應(yīng)用要求。該設(shè)計(jì)由4級(jí)低噪聲放大器模塊和由雙平衡混頻器組成的鏡像抑制混頻器組成。仿真結(jié)果顯示，在輸入信號(hào)頻率為29～34 GHz時(shí)，芯片的變頻增益為17～20 dB，鏡像抑制度超過20 dBc，噪聲系數(shù)為2.6～3 dB。

下變頻模塊；Ka波段；合成孔徑輻射計(jì)；單片式微波集成電路；鏡像抑制

0 引言

Ka波段單片式微波集成電路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）在軍用電子裝備和民用電子產(chǎn)品領(lǐng)域已表現(xiàn)出巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)。MMIC技術(shù)可以滿足系統(tǒng)對(duì)低成本、小型化以及高可靠性和一致性的要求，在寬帶無線接入、區(qū)域多點(diǎn)傳輸服務(wù)（LMDS）以及微衛(wèi)星通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)采用混合微波集成電路技術(shù)（Hybrid Microwave Integrated Circuit，HMIC）時(shí)，常用的Ka波段接收系統(tǒng)一般由濾波器、低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）、混頻器、本振及倍頻器等多塊芯片實(shí)現(xiàn)。由于系統(tǒng)裝配過程中人工焊接和器件單獨(dú)封裝導(dǎo)致寄生參數(shù)的影響，以及芯片間互聯(lián)可能導(dǎo)致的失配和損耗，采用數(shù)量眾多的芯片將不可避免地降低系統(tǒng)的可靠性和一致性。同時(shí)，復(fù)雜的電路裝配及調(diào)試過程難度高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，大大增加了人工和時(shí)間成本，降低了產(chǎn)品重復(fù)生產(chǎn)的能力。相較于HMIC技術(shù)，專用系統(tǒng)級(jí)MMIC高度集成了多個(gè)單功能電路以完成特定系統(tǒng)功能，避免了裝配過程對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響，提高了系統(tǒng)的一致性?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，高性能Ka波段MMIC接收機(jī)已得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。

合成孔徑微波輻射計(jì)作為一種被動(dòng)傳感器，主要用于測(cè)量物體微波輻射，廣泛應(yīng)用于射電天文、地球遙感、軍事偵察、人體安檢等領(lǐng)域。其中，被動(dòng)毫米波成像的綜合孔徑體制是將稀疏分布的小孔徑天線之間的干涉測(cè)量結(jié)果通過數(shù)字波束合成的辦法將其綜合成一個(gè)大的等效孔徑，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率成像，通過數(shù)字波束掃描實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)范圍內(nèi)圖像的瞬時(shí)成像[5]。為了達(dá)到較高的空間分辨率，綜合孔徑輻射計(jì)通常需要較多的接收通道數(shù)量。因此其成像性能不僅取決于每個(gè)接收射頻前端通道的性能參數(shù)，還取決于各接收射頻前端通道之間的一致性[6]。因此，高性能的射頻前端設(shè)計(jì)及各接收射頻前端通道的參數(shù)一致性，成為了綜合孔徑輻射計(jì)面臨的重要問題。

當(dāng)前國際上對(duì)MMIC接收前端的研究取得了一定進(jìn)展，在工程應(yīng)用方面的研究也正在全面展開，然而很少有用于合成孔徑輻射計(jì)MMIC設(shè)計(jì)的報(bào)道[7-8]。鑒于MMIC對(duì)提高綜合孔徑輻射計(jì)各通道一致性和降低成本的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于綜合孔徑輻射計(jì)射頻前端MMIC的研究具有一定意義和價(jià)值。

本文提出了一種應(yīng)用于合成孔徑輻射計(jì)的低噪聲下變頻MMIC接收機(jī)。考慮到應(yīng)用背景對(duì)于高靈敏度的要求，芯片可以在一定帶寬內(nèi)滿足射頻前端高增益和低噪聲的要求。芯片集成了一個(gè)四級(jí)低噪聲放大器和由雙平衡混頻器子模塊組成的鏡像抑制混頻器。為減小芯片尺寸，在保證整體電路性能的前提下，采用微帶線代替電感，并適當(dāng)彎折巴倫使設(shè)計(jì)更為緊湊。設(shè)計(jì)采用OMMIC公司0.13 μm砷化鎵工藝，基底厚度為100 μm。

1 電路結(jié)構(gòu)分析

低噪聲下變頻芯片設(shè)計(jì)版圖如圖1所示。該設(shè)計(jì)包括一個(gè)四級(jí)低噪聲放大器和由雙平衡混頻器子模塊組成的鏡像抑制混頻器。

圖1 低噪聲下變頻模塊版圖

1.1 低噪聲放大器

對(duì)于低噪聲放大器的設(shè)計(jì)主要考慮噪聲、增益、線性度、穩(wěn)定性和芯片尺寸等指標(biāo)。設(shè)計(jì)采用的低噪聲放大器原理圖如圖2所示。為拓寬工作頻帶和提高增益平坦度，電路從漏極到源極引入負(fù)反饋。反饋電路由電阻、電容和微帶線串聯(lián)組成。電阻的阻值會(huì)直接影響反饋量，從而影響電路整體增益；電容用于將偏置電路和反饋電路分隔開，避免直流量倒流至柵極，也用于調(diào)整反饋強(qiáng)度和相位；微帶線代替電感，作用是減少信號(hào)高頻反饋量，以補(bǔ)償S21在高頻段的損失，維持高頻段的增益不變。另外，合理的設(shè)置反饋電阻和電容的值，也可以得到良好的輸入、輸出駐波比。由于反饋網(wǎng)絡(luò)的引入會(huì)增加額外的噪聲，所以本設(shè)計(jì)僅在第三級(jí)和第四級(jí)引入反饋網(wǎng)絡(luò)。

圖2 四級(jí)低噪聲放大器原理圖

仿真結(jié)果顯示，在輸入信號(hào)頻率為 28～36 GHz時(shí)，放大器增益為 27～29 dB，噪聲系數(shù)為 2.2～2.5 dB，電路無條件穩(wěn)定。

1.2 雙平衡混頻器

圖3展示了由雙平衡混頻器子模塊組成的鏡像抑制混頻器。雙平衡混頻器的優(yōu)點(diǎn)是工作頻帶寬、端口隔離度高、輸出信號(hào)諧波分量少、動(dòng)態(tài)范圍大，同時(shí)可以抑制相位噪聲。雙平衡混頻器由本振、射頻輸入巴倫、環(huán)形二極管和中頻輸出組成。在該結(jié)構(gòu)中，巴倫不僅作為變壓器將輸入信號(hào)分成兩路幅度相等、相位相反的差分信號(hào)，同時(shí)也作為電感存在影響阻抗匹配。因此，設(shè)計(jì)高性能的巴倫是設(shè)計(jì)雙平衡混頻器的關(guān)鍵。在以往的設(shè)計(jì)中，Marchand巴倫以其簡單的結(jié)構(gòu)和寬的工作帶寬常被采用。平面結(jié)構(gòu)的Marchand巴倫包括兩段四分之一波長耦合線，偶-奇模分析可以分析和設(shè)計(jì)這一巴倫結(jié)構(gòu)[9]。

圖3 鏡像抑制混頻器原理圖

1.3 鏡像抑制混頻器

由于鏡頻干擾的存在，接收機(jī)系統(tǒng)常在低噪聲放大器和混頻器之間增加鏡像抑制濾波器，或采用鏡像抑制混頻器解決這一問題。對(duì)于MMIC，Ka波段寬帶鏡像抑制濾波器難以實(shí)現(xiàn)。因此，本設(shè)計(jì)采用鏡像抑制混頻器與低噪聲放大器進(jìn)行集成。鏡像抑制混頻器由兩個(gè)獨(dú)立的雙平衡混頻器、Wilkinson功分器和 Lange耦合器組成。中頻輸出巴倫由于其較大的尺寸一般在芯片外使用。鏡像抑制混頻器工作原理簡述如下：射頻輸入信號(hào)經(jīng)Lange耦合器變?yōu)檎坏膬陕沸盘?hào)，與已經(jīng)經(jīng)過Wilkinson功分器功率分配的兩路同相位的本振信號(hào)在兩個(gè)雙平衡混頻器分別進(jìn)行混頻，輸出的兩路正交中頻信號(hào)經(jīng)中頻巴倫合成就可以得到需要的中頻信號(hào)，而鏡頻干擾信號(hào)在這一過程中被抵消。對(duì)于大部分設(shè)計(jì)，諧波混頻器被用于基本混頻模塊組成鏡像抑制混頻器。諧波混頻器的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，本振頻率低。但是諧波混頻器對(duì)比其他基本混頻單元性能稍差，同時(shí)需要額外的電路提高端口隔離度。因此本設(shè)計(jì)采用雙平衡混頻器組成鏡像抑制混頻器子模塊。

2 仿真結(jié)果展示

設(shè)計(jì)采用OOMIC公司D01PH工藝庫，下文中所有仿真結(jié)果均是在ADS環(huán)境下仿真得到。圖4展示了混頻增益隨本振功率變化的情況，圖中信號(hào)頻率為34 GHz，中頻信號(hào)頻率為4 GHz。由于采用了雙平衡混頻器，需要的本振驅(qū)動(dòng)功率較大。較高的本振功率主要用于驅(qū)動(dòng)雙平衡混頻器中的環(huán)形二極管。當(dāng)本振輸入功率大于14 dBm時(shí)，系統(tǒng)可以得到最佳的增益及噪聲性能。圖5展示了變頻增益隨射頻信號(hào)頻率變化的曲線，可以看到射頻信號(hào)頻率為28～36 GHz時(shí)，混頻增益為17～20 dB。圖6展示了噪聲系數(shù)隨射頻信號(hào)頻率變化的曲線，可以看到射頻信號(hào)頻率為28～35 GHz時(shí)，噪聲系數(shù)為2.6～3 dB。上述結(jié)果是在本振輸入功率為15 dB，頻率為28 GHz下得到的。圖7展示了本振和射頻端口的輸入回波損耗，29～34 GHz射頻信號(hào)反射系數(shù)在-5 dB以下。圖8展示了本振-射頻、本振-中頻隔離度，可以看到由于采用了雙平衡混頻器，電路實(shí)現(xiàn)了良好的端口隔離。

圖5 系統(tǒng)變頻增益vs射頻頻率

圖6 單邊帶噪聲系數(shù)vs射頻頻率

圖7 系統(tǒng)輸入反射系數(shù)

圖8 系統(tǒng)各端口隔離度

圖9 輸入功率1 dB壓縮點(diǎn)vs射頻頻率

圖9展示了系統(tǒng)輸入功率 1 dB壓縮點(diǎn)隨射頻頻率變化的曲線。

表1總結(jié)了仿真得到的性能參數(shù)，并與文獻(xiàn)[1-4]中給出的MMIC接收機(jī)性能指標(biāo)進(jìn)行了比較?？梢钥吹?，本設(shè)計(jì)在噪聲系數(shù)和變頻增益指標(biāo)上要優(yōu)于其他設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

基于0.13 μm GaAs pHEMT工藝，本文成功設(shè)計(jì)了一款低噪聲下變頻接收機(jī)模塊。該設(shè)計(jì)由4級(jí)低噪聲放大器模塊和由雙平衡混頻器組成的鏡像抑制混頻器組成。仿真結(jié)果顯示，在輸入信號(hào)頻率為29～34 GHz時(shí)，芯片的變頻增益為17～20 dB，鏡像抑制度超過20 dBc，噪聲系數(shù)為2.6～3 dB。其性能指標(biāo)滿足合成孔徑輻射計(jì)系統(tǒng)的要求。

A low noise down converter MMIC for synthetic aperture radiometer application

Wen Xiaofan，Xia Tongsheng，Miao Jungang，Sun Guolin
(School of Electronic and Information Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China)

A Ka-band integrated compact down-converter monolithic microwave integrated circuit chip is presented for synthetic aperture radiometer application.This work is designed using an image-reject mixer consisting of double balanced diode ring mixers and a four-stage RF low noise amplifier.The conversion gain of the chip is 17～20 dB,image rejection above 20 dBc,and noise figure of 2.6～3 dB for the radio frequency of 29～34 GHz.

down-converter；Ka-band；synthetic aperture radiometer；monolithic microwave integrated circuit；image-reject

TN402

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.003

文瀟凡，夏同生，苗俊剛，等.用于合成孔徑輻射計(jì)的集成接收機(jī)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (12)：16-18，22.

英文引用格式：Wen Xiaofan，Xia Tongsheng，Miao Jungang，et al.A low noise down converter MMIC for synthetic aperture radiometer application[J].Application of Electronic Technique，2016，42(12)：16-18，22.