一種應(yīng)用于大功率導(dǎo)引頭的小型化接收前端

馬 韜

(西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

0 引言

近年來，毫米波機(jī)掃大功率導(dǎo)引頭得到了快速發(fā)展，它的應(yīng)用不僅可以有效增加導(dǎo)彈的作用距離、反隱身作戰(zhàn)能力以及抗干擾能力，減小導(dǎo)引頭盲區(qū)距離，而且相較于相掃導(dǎo)引頭成本更低，具有顯著的軍事效益[1-2]。

毫米波低噪聲接收前端作為導(dǎo)引頭接收機(jī)的關(guān)鍵電路，主要功能是將來自天線的微弱信號進(jìn)行小信號放大，它的噪聲系數(shù)直接影響了整個接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)和靈敏度，所以一般具有很低的噪聲系數(shù)[3]。其核心器件低噪聲放大器(通常為BJT類或MESFET類晶體管)能夠承受的輸入功率值通常較小，一般為mW量級[4]。在毫米波大功率導(dǎo)引頭中，發(fā)射機(jī)所發(fā)射的信號的峰值功率可能超過百瓦量級，而發(fā)射機(jī)和接收機(jī)通過環(huán)形器共用天線，因此大功率發(fā)射信號會通過天線反射泄露到接收機(jī)中，燒毀低噪聲放大器。同時，接收前端的動態(tài)范圍直接影響系統(tǒng)的抗干擾能力及盲區(qū)距離。所以在毫米波大功率導(dǎo)引頭中，接收前端不僅需要具備很低的噪聲系數(shù)，而且需要提高抗功率燒毀能力以及增大動態(tài)范圍。

為了解決毫米波機(jī)掃大功率導(dǎo)引頭的上述難題，本文提出并實現(xiàn)了一種新型的毫米波小型化接收前端。該型接收前端采用毫米波多路限幅低噪聲放大器功率合成技術(shù)[5]以及一體化多芯片集成技術(shù)，具備抗大功率燒毀、大動態(tài)范圍和低噪聲等優(yōu)異的射頻性能，同時兼具結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的特點，能夠很好地滿足現(xiàn)有毫米波機(jī)掃大功率導(dǎo)引頭的使用需求，并突破該類導(dǎo)引頭的發(fā)展瓶頸。

1 工作原理及設(shè)計

1.1 傳統(tǒng)方案介紹

導(dǎo)引頭低噪聲接收前端要實現(xiàn)抗大功率燒毀和大動態(tài)范圍非常困難。為了保護(hù)低噪聲接收前端，傳統(tǒng)方案是在接收通道前端增加能耐受大功率的器件實現(xiàn)抗大功率燒毀功能，這些器件包括放電管、鐵氧體開關(guān)、限幅組件以及射頻開關(guān)芯片，每種方案的優(yōu)缺點如下：

① 放電管和鐵氧體開關(guān)具有插損小、耐功率大特點，可以實現(xiàn)接收前端抗大功率燒毀，但因為體積重量太大而不能滿足彈上設(shè)備輕小型化要求[6-8]。

② 限幅組件耐受功率很大，但具有插損大、體積大等缺點，不能保證接收前端的低噪聲以及輕小型化。

③ 射頻開關(guān)芯片是目前收發(fā)前端應(yīng)用最多的一種保護(hù)電路，具有插損小、體積小的特點，但是耐受功率不夠大，目前芯片廠商最高水平在2 W左右，遠(yuǎn)小于系統(tǒng)大功率發(fā)射機(jī)泄露功率。而且該方案還具有控制時序復(fù)雜、接收機(jī)恢復(fù)時間長等缺點。

綜上所述，傳統(tǒng)方案不能解決毫米波機(jī)掃大功率導(dǎo)引頭的抗功率燒毀、大動態(tài)范圍以及低噪聲等難題。

1.2 基本工作原理

基于毫米波多路限幅低噪聲放大器功率合成技術(shù)的接收前端原理框圖如圖1所示，它主要由八路功分器、限幅器芯片[9-10]、低噪聲放大器芯片和八路合成器組成。

圖1 接收前端原理框圖Fig.1 Principle block diagram of receiver front-end

當(dāng)高功率射頻輸入信號進(jìn)入接收前端，首先通過功分器進(jìn)行8路功分，功分為8路射頻信號，每路信號功率降低為射頻輸入信號的1/8，每路射頻信號再通過限幅器限幅，將每路信號功率限制在mW級，再經(jīng)與限幅器芯片串聯(lián)的低噪聲放大器芯片放大送入八路合成器[11-12]，將這8路信號進(jìn)行功率合成，合成輸出為1路射頻信號。

從工作原理可以看出，通過毫米波多路限幅低噪聲放大器功率合成技術(shù)可以大幅降低每一路限幅器芯片的輸入信號功率，從而大幅提高接收前端的抗燒毀功率指標(biāo)，比常規(guī)單路限幅或開關(guān)芯片方案的抗功率燒毀指標(biāo)提高9 dB。通過毫米波多路限幅低噪聲放大器功率合成技術(shù)可以大幅提高合成輸出信號1 dB壓縮點，當(dāng)接收機(jī)噪聲系數(shù)一定時，動態(tài)范圍指標(biāo)比常規(guī)方案提高9 dB。另外，毫米波多路限幅低噪聲放大器功率合成技術(shù)省去射頻保護(hù)開關(guān)，完全避免因時序出錯而燒毀接收機(jī)的情況，同時，接收機(jī)可以保持持續(xù)的工作狀態(tài)，大幅縮短接收機(jī)的恢復(fù)時間。

該項目中接收前端使用了8路限幅低噪聲放大器功率合成技術(shù)，其中功分合成路數(shù)可以根據(jù)抗功率燒毀指標(biāo)和動態(tài)范圍指標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)，接收前端功分路數(shù)N取式(1)中N1和式(2)中N2二者最大值。

接收前端抗功率燒毀指標(biāo)為：

P燒毀=P限幅×N1，

(1)

式中，N1為根據(jù)抗功率燒毀指標(biāo)確定的功分合成路數(shù)；P燒毀為接收前端抗功率燒毀指標(biāo)；P限幅為單只限幅器芯片能承受的最大射頻輸入信號功率。

動態(tài)范圍指標(biāo)為：

(2)

式中，N2為根據(jù)動態(tài)范圍指標(biāo)確定的功分路數(shù)；DR-1為接收機(jī)動態(tài)范圍；P-1為單只低噪聲放大器芯片輸入1 dB壓縮點；Pmin為接收機(jī)能檢測的最小信號功率。

1.3 關(guān)鍵電路設(shè)計以及關(guān)鍵指標(biāo)計算

1.3.1 八路功分器

八路功分器是技術(shù)難點，它的性能直接關(guān)系到抗燒毀功率、噪聲系數(shù)以及動態(tài)范圍等關(guān)鍵指標(biāo)。首先，必須要保證每一路的插損以及相位一致，不然會導(dǎo)致每一路的輸出功率不同，其中功率較大的支路可能會燒毀后面的限幅器芯片，這就直接影響系統(tǒng)的抗燒毀功率指標(biāo)；其次，還要保證每一路的插損盡量小，因為它處于接收機(jī)的最前端，插損大小直接影響系統(tǒng)的噪聲系數(shù)；最后，需要保證每路功分均等，因為8路均等功分能使系統(tǒng)的動態(tài)范圍提高9 dB，如果出現(xiàn)不均等情況，功率較大支路上的低噪聲放大器會提前飽和，影響系統(tǒng)動態(tài)范圍。

通常情況下，功分器主要有微帶和波導(dǎo)2種形式，波導(dǎo)功分比微帶功分的體積更大，為了前端小型化目的優(yōu)先考慮微帶功分器[13]。為了減小插損，選擇了星形功分的結(jié)構(gòu)形式，在經(jīng)過大量的仿真實驗后，最終設(shè)計出性能優(yōu)異的低損耗八路微帶功分器[14-15]，設(shè)計版圖如圖2所示，最大插損為0.268 dB，最小插損為0.041 dB，輸入駐波低于1.100。

圖2 八路功分器設(shè)計版圖Fig.2 Eight-way power divider layout design

1.3.2 抗燒毀功率計算

采用微帶功分器，最大插損為0.268 dB，最小插損為0.041 dB，如果輸入功率按40 W(46 dBm)計算，功分器的8路輸出中，最大輸出功率為4.954 W，最小輸出功率為4.722 W，都不會超過限幅芯片的最大承受功率6.7 W。同時限幅芯片的限幅輸出功率為17 dBm，低于低噪聲放大器的最大承受功率18 dBm，低噪放也不會燒毀。因此，該限幅組件完全能承受40 W(46 dBm)的輸入功率。

1.3.3 噪聲系數(shù)計算

接收前端噪聲系數(shù)如表1所示，接收前端噪聲系數(shù)為3.3 dB。

表1 接收前端噪聲系數(shù)

Tab.1 Receiver front-end noise coefficient calculation

由表1可以看出，該小型化毫米波大功率低噪聲接收前端能夠同時實現(xiàn)抗大功率燒毀、低噪聲接收和大動態(tài)等關(guān)鍵指標(biāo)。

2 測試結(jié)果

基于毫米波多路限幅低噪聲放大器功率合成技術(shù)的接收前端驗證件實物如圖3所示。該實物前端同時采用一體化多芯片集成技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的特點，主要指標(biāo)測試結(jié)果如下：抗燒毀功率指標(biāo)為48 dBm，噪聲系數(shù)指標(biāo)為3.4 dB，輸入P-1指標(biāo)為-2.5 dBm，尺寸60 mm×13 mm×5 mm，重量20 g。

圖3 接收前端驗證件實物Fig.3 Verification product of receiver front-end

目前國內(nèi)公布的同類型產(chǎn)品中，抗燒毀功率指標(biāo)最大在33 dBm左右，輸入P-1最大在-11 dB左右，本設(shè)計與之對比分別有了15，9 dB的提高，優(yōu)勢明顯。噪聲系數(shù)指標(biāo)達(dá)到同類型設(shè)計較高水平。同時，該接收前端尺寸重量不到同類型接收機(jī)前端的1/2甚至1/3，具備小型化優(yōu)勢，適用于彈載平臺。

3 結(jié)束語

基于毫米波多路限幅低噪聲放大器功率合成技術(shù)以及一體化多芯片集成技術(shù)實現(xiàn)小型化毫米波低噪聲接收前端，抗燒毀功率、動態(tài)范圍及尺寸重量等指標(biāo)較同類型產(chǎn)品具有明顯優(yōu)勢，能夠解決當(dāng)下毫米波大功率導(dǎo)引頭接收機(jī)易燒毀等難題，同時具有接收機(jī)恢復(fù)時間短、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

該接收前端及相關(guān)技術(shù)突破可以有效增加導(dǎo)彈的作用距離、反隱身作戰(zhàn)能力以及抗干擾能力，減小盲區(qū)距離，提高系統(tǒng)工作可靠性，具有顯著應(yīng)用價值。今后在功分器和合成器等方面進(jìn)一步探索，提高功分、合成路數(shù)，從而提高接收前端的抗燒毀功率和動態(tài)范圍，以滿足毫米波機(jī)掃大功率導(dǎo)引頭的快速發(fā)展需要。