18～40GHz大動態(tài)檢波對數(shù)視頻放大器設(shè)計研究

錢志宇，梅穎慧，諸力群，江浚清

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所,江蘇 南京 210007)

0 引言

隨著電子戰(zhàn)技術(shù)的發(fā)展以及作戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜多樣化，對電子偵察系統(tǒng)的性能要求也越來越高?？梢詮脑O(shè)計高性能接收天線模塊、合理的微波前端，以提供高靈敏度、大動態(tài)范圍、高信噪比的信號給后端接收機(jī),以及提高接收機(jī)自身的靈敏度和測頻精度[1]等方面來進(jìn)行設(shè)計。微波檢波對數(shù)視頻放大器(DLVA)主要用于功率或者脈沖檢測，能把大動態(tài)范圍的輸入壓縮成一個小動態(tài)范圍的視頻電壓，提供一個正比于輸入微波功率的輸出電壓，在當(dāng)前的雷達(dá)、通信和電子戰(zhàn)等諸多領(lǐng)域中占有不可或缺的地位[2]。

相比于超外差式接收機(jī)，直檢式的DLVA不需要混頻模塊以及本振，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點，具有寬頻帶的瞬時大動態(tài)被動響應(yīng)能力，在測量信號的幅度和脈沖信息時更為迅速、簡便。隨著現(xiàn)代接收系統(tǒng)功能要求不斷提升，DLVA逐漸向更高的頻率、更寬的工作頻帶、更大的動態(tài)范圍、同時具有良好的對數(shù)線性和瞬時響應(yīng)等方向發(fā)展。

大動態(tài)DLVA的主要方案包括逐級檢波方案(SDLVA)和分段合成技術(shù)拓寬動態(tài)方案。其中逐級檢波方案具有更快速的脈沖響應(yīng)時間，但由于其對數(shù)轉(zhuǎn)換需要設(shè)計多級放大和檢波并擬合，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相對設(shè)計難度較大；且對數(shù)斜率相對工作頻率變化較大；而分段合成技術(shù)拓寬動態(tài)方案具有電路設(shè)計簡單、對數(shù)斜率相對工作頻率變化較小的優(yōu)點，但脈沖響應(yīng)速度比逐級檢波方案稍慢。關(guān)于DLVA的市場現(xiàn)狀，主要集中在18GHz以下頻率的應(yīng)用，K及Ka頻段的多數(shù)為動態(tài)范圍60dB以下的產(chǎn)品，目前美國Microsemi公司的對數(shù)放大器產(chǎn)品MSDA-81840頻率能達(dá)到40GHz且動態(tài)范圍達(dá)到60dB以上，而國內(nèi)18～40GHz大動態(tài)DLVA還未見報道。

本文利用分段合成技術(shù)拓寬動態(tài)范圍，優(yōu)化設(shè)計毫米波寬帶限幅放大器和寬帶檢波器，研制出18～40GHz大動態(tài)DLVA，并且在正切靈敏度、動態(tài)范圍、對數(shù)線性等性能上都有較明顯的提升。

1 設(shè)計理論研究

1.1 DLVA原理分析

1)DLVA轉(zhuǎn)換關(guān)系和基本原理

DLVA的輸入輸出轉(zhuǎn)換關(guān)系式為[3]：

Vo=a10lgPi+b

(1)

式中，Pi為輸入信號功率，單位一般為mW；

Vo為輸出視頻電壓，單位一般為mV；a、b為

常數(shù)。

有功率單位轉(zhuǎn)換公式：

P=10lgPi(2)

將式(2)代入式(1)，得到：

Vo=aP+b(3)

由式(3)可見，當(dāng)輸入信號功率用dBm為單位表示時，輸入輸出轉(zhuǎn)換關(guān)系式變成了線性轉(zhuǎn)換關(guān)系。其中a稱為對數(shù)斜率，常用的單位為mV/dB；b一般稱為對數(shù)起點電壓，常用單位為mV。

如圖1所示，利用檢波器將微波信號轉(zhuǎn)換為視頻信號后，利用多級差分放大器和限幅擬合對數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)特性。DLVA的動態(tài)范圍與工作頻段由檢波器決定，因此在毫米波寬帶應(yīng)用上，檢波器的良好設(shè)計與DLVA的性能息息相關(guān)。

2)正切靈敏度

在適當(dāng)?shù)那岸嗽鲆鏃l件下，檢波系統(tǒng)噪聲功率計算公式如下[4]：

Smax=-114+Nr+10lg(2BrBv+Bv2)0.5

(4)

式中，Br為射頻帶寬，Bv為視頻帶寬，Nr為前端射頻放大器的噪聲系數(shù)，-114為1MHz帶寬時基底噪聲功率。

正切靈敏度是指檢波系統(tǒng)能分辨和處理的最小信號。平方率檢波系統(tǒng)的極限正切靈敏度表示為[4]：

Tssmax=Smax+10lg2.5

(5)

正切靈敏度決定DLVA的動態(tài)范圍的下限，而正切靈敏度實際上由接收噪聲系數(shù)Nr、接收通道帶寬Br、視頻帶寬Bv等決定，當(dāng)接收通道帶寬與視頻帶寬基本固定時，要得到期望的動態(tài)范圍重點需要放在接收噪聲與射頻增益的處理上。按照工作頻帶為18～40 GHz進(jìn)行計算，當(dāng)射頻放大器噪聲系數(shù)在4 dB左右時，18～40 GHz大動態(tài)檢波對數(shù)放大器的理論極限正切靈敏度約為-75.4 dBm。

1.2 DLVA動態(tài)擴(kuò)展

受檢波器的特性決定，單級DLVA的動態(tài)范圍大約為45dB。若要擴(kuò)展DLVA的動態(tài)范圍，一般采取雙通道并聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，如圖2所示。

擴(kuò)展動態(tài)DLVA合成原理如圖3所示，當(dāng)接收信號幅度較小，幅度低于高功率部分檢波器的靈敏度時，高功率部分DLVA輸出視頻電壓為基線電平，信號經(jīng)限幅放大器放大后由低功率部分DLVA完成對數(shù)轉(zhuǎn)換；當(dāng)信號逐漸增大時，限幅放大器逐漸飽和，低功率部分DLVA輸出為固定的飽和電平，此時由高功率部分DLVA完成對數(shù)轉(zhuǎn)換。兩端對數(shù)轉(zhuǎn)換曲線通過算術(shù)加法器合成輸出，低功率、高功率兩個單級DLVA共同作用完成大動態(tài)范圍的對數(shù)轉(zhuǎn)換。

2 電路設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 毫米波寬帶檢波設(shè)計

18～40GHz大動態(tài)DLVA的主要設(shè)計難點是設(shè)計一款有良好的寬帶特性，同時有較低的視頻阻抗的寬帶毫米波檢波器。制作微波檢波器一般采用肖特基勢壘二極管和隧道二極管，其中隧道二極管一般具有較低的切線靈敏度，但其飽和功率也稍低。相對而言隧道二極管具有更快的上升時間，良好的微波寬帶特性和較低的視頻阻抗，通過合理的電路匹配設(shè)計可以在不損失切線靈敏度的條件下獲得更好的輸入電壓駐波。隧道二極管的電流特性和檢波電路原理圖如圖4所示。

隧道二極管等效電路如圖5所示，圖中Cs、Ls為封裝帶來的寄生參數(shù)，Cj和Rj分別為隧道二極管的結(jié)電容和結(jié)電阻，Rs為隧道二極管的串聯(lián)電阻。一般定義視頻電阻Rv=Rj+Rs。當(dāng)設(shè)計高頻率的檢波器時選擇檢波管芯，避開封裝管殼，可以避免Cs、Ls帶來的寄生參數(shù)影響，提高檢波器的工作頻率，獲得更好的幅度頻率特性。

這里采用Metelics的隧道二極管芯，其標(biāo)稱Rv為80Ω，Cj為0.33pF。由于結(jié)電容Cj的存在，當(dāng)輸入頻率超過20GHz后，單級隧道二極管檢波效率隨頻率上升會急劇下降。為提高檢波器的工作頻率，在18～40GHz具有良好的檢波特性，需要提高檢波器在毫米波的檢波效率，得到足夠的寬帶匹配。主要從以下兩點著手，一是檢波管芯本身結(jié)電容和其等效電容，二是旁路金絲電感、旁路電容。這里采用串聯(lián)兩級檢波管芯的方案降低等效電容，降低旁路電感，選取金絲代替電感，選取8.2pF芯片電容作為旁路電容，并輔以適當(dāng)調(diào)配。18～40GHz寬帶檢波器的電路框圖如圖6所示。

兩級隧道二級管聯(lián)后得到的檢波器等效電路的傳輸特征和端口特性仿真圖如圖7、圖8所示。由仿真可見，兩級隧道二極管級聯(lián)后得到的檢波器可以在18～40GHz的寬帶范圍內(nèi)輸入駐波可以達(dá)到2.5以下，采用兩級隧道二極管級聯(lián)降低檢波器等效電容，提高檢波器工作頻率的方法切實可行。

2.2 毫米波寬帶限幅放大器設(shè)計

擴(kuò)展動態(tài)DLVA的限幅放大器增益應(yīng)滿足以下表達(dá)式：

G≥TSSj-TSS+3dB

(6)

式中，TSSj為檢波器正切靈敏度，TSS為DLVA的設(shè)計正切靈敏度?？紤]設(shè)計組件的對數(shù)范圍為-60～+5dBm，為達(dá)到良好的對數(shù)特性，正切靈敏度至少需要達(dá)到-63 dBm以下。根據(jù)2.1節(jié)實物測試結(jié)果，毫米波檢波器的正切靈敏度TSSj=-37dBm，那么射頻放大器的設(shè)計增益應(yīng)不低于29dB。

這里選用Hittite公司的毫米波寬帶低噪聲MMIC，型號為HMC-ALH445。如圖9所示。這款芯片標(biāo)稱增益10dB，輸出1dB壓縮功率13dBm，在18～40GHz的工作頻帶范圍內(nèi)較為平坦。限幅放大器設(shè)計為四級放大，在第二級和第三級放大器之間設(shè)計電調(diào)衰減器預(yù)設(shè)一定量的衰減值作為溫度補(bǔ)償，同時可以改善級聯(lián)放大器匹配，電調(diào)衰減器選取Hittite公司的HMC985，其工作頻段范圍是18～50 GHz，能夠提供的衰減范圍是30 dB。

選取0.127mm的rogers5880介質(zhì)板，毫米波電路部分設(shè)計為獨立的封閉腔體，測試完成后裝入DLVA。

根據(jù)上述設(shè)計，18～40 GHz限幅放大器的增益分配如圖10所示。

3 設(shè)計結(jié)果

依據(jù)以上方案與關(guān)鍵設(shè)計，制作了毫米波檢波對數(shù)放大器并進(jìn)行了相關(guān)電特性測試，測試結(jié)果如下：工作頻帶18～40GHz，對數(shù)線性度為±1.5dB的對數(shù)范圍達(dá)到了-60～+5dB，對數(shù)斜率50±1.5dB，正切靈敏度-65dBm，脈沖響應(yīng)上升時間20ns，下降時間150ns。由結(jié)果可見，18～40GHz大動態(tài)檢波對數(shù)放大器實際表現(xiàn)良好，對數(shù)特性及脈沖響應(yīng)與18GHz以下大動態(tài)DLVA基本相當(dāng)，符合實際應(yīng)用需求。

產(chǎn)品實測的輸入輸出轉(zhuǎn)換特性與對數(shù)線性誤差如圖11所示，實物照片如圖12所示。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款18～40GHz的寬帶大動態(tài)毫米波DLVA，通過分析大動態(tài)DLVA的實現(xiàn)方案，利用分段合成技術(shù)拓寬動態(tài)范圍，設(shè)計毫米波寬帶限幅放大器和寬帶檢波器，在毫米波大動態(tài)DLVA的研究上取得了一定的實際成果。實物組件在正切靈敏度、動態(tài)范圍、對數(shù)線性等性能上都與18GHz以下大動態(tài)檢波對數(shù)放大器的基本水平相當(dāng)，并且 由于結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便，易于大規(guī)模生產(chǎn)。

研制出的18～40GHz的寬帶大動態(tài)毫米波DLVA為毫米波寬帶的被動接收系統(tǒng)信號幅度測量與分析提供了一個新的選擇，對比傳統(tǒng)的超外差接收機(jī)測量信號幅度的方法，具有瞬時響應(yīng)的優(yōu)點，系統(tǒng)搭建更加簡便?！?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1] 魯帆, 劉治甬. 一種超外差接收機(jī)的射頻前端設(shè)計[J]. 艦船電子對抗, 2013, 36(4).

[2] 范國強(qiáng). 微波寬帶檢波對數(shù)視頻放大器研究[D]. 西安：電子科技大學(xué), 2014.

[3] Hughes RS. Logarithmic amplifications: with application to radar[M]. Artech House, 1986.

[4] Capasso S. Log amplifier scales 100-dB dynamic range[J]. Microwaves & RF, 1994.