一種大動態(tài)低脈沖展寬多普勒信號放大器設(shè)計

陳永任　袁杰　彭海燕

摘 要 本文根據(jù)實際工程應(yīng)用設(shè)計了一種大動態(tài)低脈沖展寬的多普勒信號放大器，文中詳細介紹了該放大器的設(shè)計方法并給出本電路的仿真結(jié)果及實測數(shù)據(jù)。該多普勒信號放大器的最小輸入信號峰峰值≤40μV，輸出噪聲電平峰峰值≤40mV，增益≥60dB，輸入動態(tài)范圍≥60dB，脈沖展寬≤10ns。具有靈敏度高，輸出噪聲小，脈沖展寬小等特點，可滿足實際工程應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞 多普勒;脈沖多普勒;脈沖展寬

中圖分類號： TJ43文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.02.007

0 前言

脈沖多普勒雷達因具有良好的測距、測速能力，以及良好的抗海地雜波能力被廣泛應(yīng)用于機載、彈載雷達[1-4]。因具有良好的超低空作戰(zhàn)能力，無線電引信也多采用脈沖多普勒體制。

脈沖多普勒雷達多采用AGC放大器或大動態(tài)限幅放大器進行中頻處理以保證接收機有良好的接收靈敏度及接收動態(tài)。

中頻AGC放大器因能較好的保留信號的幅度信息且在大信號輸入的情況下能獲得較好的信噪比而在中頻處理系統(tǒng)中使用更廣泛，但容易受整機泄露噪聲干擾而影響接收靈敏度[5]，AGC響應(yīng)速度也對系統(tǒng)應(yīng)用有一定的影響。限幅放大器對大信號可以實現(xiàn)快速響應(yīng)，但限幅狀態(tài)下無法保留接收信號的相對幅度信息，且限幅會引起脈沖展寬，影響系統(tǒng)的測速、測距精度。為保證測速、測距精度，限幅放大器的脈沖展寬應(yīng)盡量低。

本文根據(jù)某型號引信的實際使用要求，設(shè)計了一種大動態(tài)，低脈沖展寬的多普勒信號放大器。該多普勒信號放大器的技術(shù)指標要求如下：最小輸入信號峰峰值≤40μV，輸出噪聲電平峰峰值≤40mV，增益≥60dB，輸入動態(tài)范圍≥60dB，脈沖展寬≤10ns。

1 電路設(shè)計與分析

1.1 總體方案

根據(jù)指標要求，考慮采用三級級聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)。第一級為低噪聲放大單元，第二級緩沖放大，最后一級為輸出放大。低噪聲放大與緩沖放大間、緩沖放大與輸出放大間為限幅單元，保證輸入動態(tài)范圍內(nèi)輸出幅度不超出后續(xù)處理單元的承受能力。原理框圖如圖1所示。

1.2 低噪聲放大單元設(shè)計

根據(jù)接收機理論，最小輸入信號可表述為接收機的靈敏度。接收機靈敏度公式如下

Smin為接收靈敏度，單位dBm;BW為系統(tǒng)帶寬，單位為Hz;NF為系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，單位為dB;SNRO為系統(tǒng)輸出信噪比，單位dB。

由公式（3）可知，級聯(lián)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要受前級低噪聲放大器影響，后級放大器對系統(tǒng)噪聲系數(shù)的貢獻逐漸減小。為保證整體噪聲系數(shù)≤8.2dB，前級低噪聲放大器的噪聲系數(shù)控制在3dB以內(nèi)，增益大于10dB。為保證輸入動態(tài)要求，低噪聲放大器的輸入1dB壓縮點應(yīng)≥-10dBm。

根據(jù)擬定的指標，并考慮可適時調(diào)整低噪聲放大單元的指標，本文采用Motorola公司的寬帶低噪聲NPN管設(shè)計了低噪聲放大器，并采用Agilent公司的ADS2011進行仿真。低噪聲放大器的設(shè)計方法在參考文獻[6]中有詳細介紹，本文不做詳細論述。低噪聲放大器的仿真原理圖如圖2所示，仿真結(jié)果見圖3。

由仿真結(jié)果可知，低噪聲放大器絕對穩(wěn)定，噪聲系數(shù)小于3dB，增益≥13.5dB，輸出1dB壓縮點約為7dBm。

1.3 緩沖放大及輸出放大單元設(shè)計

緩沖放大單元為系統(tǒng)提供增益，輸出放大單元保證輸出幅度或輸出功率滿足系統(tǒng)要求。考慮系統(tǒng)的工作頻率不超過75MHz，本文中選用高速、寬帶電流反饋運算放大器制作緩沖放大單元及輸出放大單元。

文中采用的運算放大器為1GHz，5500V/μs，低功耗，電流反饋運算放大器。該運算放大器在G=+10時帶寬仍≥235MHz，可滿足系統(tǒng)帶寬75MHz的使用要求;G=+2時上升時間545ps，0.1%穩(wěn)定時間10ns，可保證對信號放大后脈沖展寬盡量小;輸出電流≥150mA，可保證大功率輸出要求。

本文緩沖放大單元采用同相放大結(jié)構(gòu)，為保證系統(tǒng)的輸入輸出同相，輸出放大單元采用反相放大結(jié)構(gòu)。同相放大器及反相放大器原理如圖4所示。

同相放大器的電壓增益GV=1+RF/R1，而反相放大器的電壓增益GV=RF/R1。通過調(diào)整RF和R1的比值可靈活的調(diào)整放大器的增益，這是本文考慮采用運算放大器設(shè)計緩沖放大單元和輸出放大單元的主要原因。文中緩沖放大單元設(shè)計增益為20dB，輸出放大單元設(shè)計增益為32dB。

1.4 限幅單元設(shè)計

限幅器可采用肖特基二極管的整流特性、變?nèi)荻O管的變?nèi)萏匦曰騊IN二極管的微波電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)進行設(shè)計[7-8]。微波大功率限幅器多采用PIN二極管的微波電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)進行設(shè)計，但要獲得高隔離度，一般需要采用多級PIN二極管級聯(lián)。而肖特基二極管多用于低頻小功率限幅器的設(shè)計。在低頻小功率應(yīng)用時，采用背靠背肖特基二極管設(shè)計的限幅器可以獲得很高的信號隔離度[7]，且插入損耗極小。

本文采用背靠背的肖特基二極管設(shè)計了前級限幅器，原理圖如圖5所示。當(dāng)輸入信號幅度低于二極管的結(jié)電壓VF時，二極管截止，信號通過微帶線直接傳輸?shù)胶蠹壠骷?。?dāng)輸入信號幅度大于二極管的結(jié)電壓時，兩個二極管分別在信號的正、負半周導(dǎo)通將信號幅度限制在±VF范圍內(nèi)。

前級限幅器的作用是在大信號輸入時保證后級限幅器的輸入幅度不會超出后級限幅二極管的承受范圍，后級限幅負責(zé)精確限幅。因此，后級限幅單元采用4肖特基二極管有源限幅的結(jié)構(gòu)。原理圖如圖6所示。

圖6中有源限幅器的工作原理為：在Ri=Ro情況下，當(dāng)輸入電壓Vin在Vc+VF≤Vin≤Va-VF范圍時（VF為二極管結(jié)電壓），二極管D1、D2及D3、D4順次被加偏壓，全部二極管均導(dǎo)通，輸入信號與輸出信號幅度一致;當(dāng)輸入電壓Vin大于Va-VF時，二極管D1截止，二極管D3的負極電壓接近Va-VF;反之，若輸入電壓Vin小于Vc+VF時，二極管D2截止，二極管D4的正極電壓接近Vc+VF，輸出電壓就被限制在Va-VF與Vc+VF之間，達到限幅目的。通過調(diào)整R1和R2的電阻值可改變Va和Vc的電壓值，達到精確調(diào)整限幅范圍的目的。

1.5 系統(tǒng)仿真

各個單元電路設(shè)計完成后，采用Agilent公司的ADS2011對整個放大器進行鏈路仿真以驗證設(shè)計方案的可行性。在非限幅狀態(tài)下兩級限幅單元表現(xiàn)為固定的插入損耗，鏈路仿真時以固定衰減器代替。非限幅狀態(tài)下的仿真原理圖如下圖7所示。鏈路仿真結(jié)果如下圖8所示，其中NF_RefIn_NoImage_dB為由系統(tǒng)輸入到元器件輸出的噪聲系數(shù)，OutPGain_dB為由系統(tǒng)輸入到元器件輸出的增益。由圖9可知，非限幅狀態(tài)下的噪聲系數(shù)為4.13dB，最大增益61dB，滿足設(shè)計要求。

鏈路仿真完成后，采用OrCAD_Capture_CIS對技術(shù)線路進行仿真，仿真結(jié)果如下圖9所示。

2 電路測試結(jié)果與分析

最后，根據(jù)前面的設(shè)計，采用厚膜MCM工藝制作了限幅放大器，并對放大器進行測試。

采用KEYSIGHT公司E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀、Agilent公司N5181A信號源、Agilent公司33250A任意波形發(fā)生器、R&S公司URV55高頻毫伏表、KEYSIGHT公司DSOX3104T示波器、RIGOL公司DP1306A穩(wěn)壓電源等儀器對加工好的電路進行測試。測試結(jié)果如圖10及表1、表2所示。由測試結(jié)果可知，放大器的增益61.9dB;3dB帶寬約為78.6MHz（78.6MHz-22.2kHz）;輸出噪聲電平9.5mVRMS（26.9mVP-P）;輸出信噪比大于3dB時，最小輸入信號-88dBm（25μVP-P）;-16dBm（100mVP-P）輸入時，脈沖展寬6.8ns;輸入動態(tài)72dB（-16dBm-（-88dBm））;測試結(jié)果滿足技術(shù)指標要求且與仿真結(jié)果基本一致，實際測試與仿真間的微小差異主要是由元器件的實際精度導(dǎo)致。

表3給出本文限幅放大器與近年來發(fā)表的限幅放大器的性能對比?？梢钥闯觯疚脑O(shè)計的限幅放大器有較好的帶寬和增益特性，輸出幅度優(yōu)于其他限幅放大器。本文設(shè)計的限幅放大器脈沖展寬小于10ns，而其他文獻未見報道。

3 結(jié)束語

本文主要介紹了一種大動態(tài)低脈沖展寬多普勒放大器的設(shè)計方法。文中創(chuàng)新性地采用4肖特基二極管有源限幅+高速運算放大器的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)限幅放大功能，在滿足大動態(tài)、低脈沖展寬的同時，可非常方便地實現(xiàn)限幅輸出幅度及增益的調(diào)整，以滿足不同應(yīng)用場合對增益及限幅輸出的要求。與同類產(chǎn)品相比，本文的限幅放大器具有輸入動態(tài)大、增益高、脈沖展寬小、限幅輸出幅度及增益易于調(diào)整等優(yōu)點。采用本文的設(shè)計方法可快速形成限幅輸出幅度、增益不同的系列化產(chǎn)品，有較高的實用價值和較好的市場前景。本文設(shè)計的限幅放大器已在整機中大量使用，效果良好，且采用本文方法設(shè)計的另一小型化產(chǎn)品也在整機上小批量使用。本文的設(shè)計方法可為同類限幅放大器的設(shè)計提供有益的參考。

參考文獻

[1]周軍偉，劉斌，田浩.一種脈沖多普勒引信數(shù)字化信號處理系統(tǒng)[J].探測與控制學(xué)報，2007，29（4）：35-38.

[2]李澤，栗蘋，郝新紅，閆曉鵬，王建濤.脈沖多普勒引信有源噪聲干擾性能研究[J].兵工學(xué)報，2015，36（6）：1001-1008.

[3]崔占忠，宋世和，徐立新.近炸引信原理[M].北京理工大學(xué)出版社，2009，112-119.

[4]趙惠昌.無線電引信設(shè)計原理與方法[M].國防工業(yè)出版社，2012：147-161.

[5]李宏民.視頻放大器自動增益控制分析[J].航空兵器，2012（2）：49-52.

[6]徐興福.ADS2011射頻電路設(shè)計與仿真實例[M].電子工業(yè)出版社，2014：137-193.

[7]艾競.小型化X波段平衡式限幅器設(shè)計[D].電子科技大學(xué)，2013：6-10.

[8]馬海棠.一種DC～4GHz微波限幅器的設(shè)計方法[J].科技信息， 2010，（19）：137+89.

[9]劉成鵬，劉英坤，賈長友.寬帶限幅放大器的研制[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2010，35 （10）：1028-1030+1038.

[10]李鴻杰.雷達中頻限幅放大器的設(shè)計[J].電子測試，2016，03：34-35.