萬(wàn) 易,倪大海,管 飛,陳 坤,尹紅波

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二三研究所,揚(yáng)州 225101)

0 引 言

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,電子對(duì)抗將面臨更加復(fù)雜多變的電磁環(huán)境。在這樣的電磁環(huán)境中,將外部各輻射源信號(hào)分選、分析和識(shí)別,并準(zhǔn)確無(wú)誤地告警,是十分復(fù)雜而又艱巨的任務(wù)[1]。另外,由于雷達(dá)輻射源方位不受雷達(dá)自身控制,因此需要對(duì)雷達(dá)輻射源逐個(gè)脈沖方位瞬時(shí)測(cè)量。比幅測(cè)向技術(shù)作為傳統(tǒng)測(cè)向技術(shù)之一,較相位測(cè)向在方位上具有更高的截獲概率。同時(shí)在頻域上可以進(jìn)行寬開,瞬時(shí)帶寬很寬,設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單,易于各種平臺(tái)的移植,在現(xiàn)代偵察告警設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種基于連續(xù)檢波對(duì)數(shù)視頻放大器(SDLVA)的K/Ka波段(18～30 GHz)前端接收組件,該組件由4個(gè)前端處理通道以及1個(gè)本振源組成,每個(gè)通道都具有較高的靈敏度以及較大的線性動(dòng)態(tài)范圍,并且可以動(dòng)態(tài)拓展,通道之間具有很高的一致性。

1 K/Ka波段前端接收組件設(shè)計(jì)

1.1 檢波方案選擇

從技術(shù)要求來(lái)看,需要將毫米波信號(hào)轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)。經(jīng)研究,目前有2種方法可以實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換,一是直接在毫米波進(jìn)行檢波;二是將毫米波信號(hào)進(jìn)行混頻,然后在低頻段進(jìn)行檢波。

毫米波直接檢波可以通過(guò)以下2種方法實(shí)現(xiàn):

(1) 使用同軸檢波器,該檢波器體積較大,安裝時(shí)需要進(jìn)行焊接引線,不利于同單片式微波集成電路(MMIC)芯片進(jìn)行電路級(jí)集成;

(2) 使用毫米波檢波二極管,后接對(duì)數(shù)放大器,但是單級(jí)使用的動(dòng)態(tài)范圍偏小,只有30 dB,不能滿足使用要求。

目前的低頻段檢波技術(shù)較為成熟,通過(guò)使用隧道二極管、對(duì)數(shù)放大器、運(yùn)算放大器以及動(dòng)態(tài)拓展的方式,可以實(shí)現(xiàn)6～18 GHz的60 dB大動(dòng)態(tài)檢波,但是體積較大,達(dá)到了89 mm×63.5 mm,無(wú)法在較小的體積中集成4路。而且,該電路集成度過(guò)高,容易引起自激,調(diào)試工作量大。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),采用SDLVA(該放大器利用多級(jí)放大器串聯(lián)或并聯(lián)相加形成近似對(duì)數(shù)放大特性)可以獲得較好的結(jié)果。

圖1為多級(jí)串聯(lián)相加對(duì)數(shù)放大器框圖,其中每級(jí)都是1個(gè)線性限幅放大器(A1～A6)。當(dāng)輸入信號(hào)弱時(shí),放大器各級(jí)均未飽和,此時(shí)總增益達(dá)到最高。隨著輸入信號(hào)的幅度逐漸增大,從末級(jí)開始,各級(jí)放大器依次進(jìn)入飽和狀態(tài),總增益逐漸降低。

由于每一級(jí)檢波單元都對(duì)應(yīng)著一段幅度特性區(qū)域,各個(gè)對(duì)數(shù)單元隨著輸入功率增強(qiáng)嚴(yán)格逐級(jí)地工作在對(duì)數(shù)狀態(tài)下。如圖2所示,此時(shí)SDLVA的對(duì)數(shù)動(dòng)態(tài)范圍即為各級(jí)的對(duì)數(shù)動(dòng)態(tài)范圍之和[2]。

圖2 連續(xù)型逼近近似對(duì)數(shù)曲線

圖3 原理框圖

本文選用的放大器可以完成對(duì)0.5～18.5 GHz的射頻信號(hào)的對(duì)數(shù)檢波,動(dòng)態(tài)范圍的典型值有67 dB,滿足技術(shù)要求的各項(xiàng)指標(biāo);外圍集成后的體積只有4 mm×4 mm,滿足多片集成要求。

基于上述分析,生成原理框圖如3所示[3]。

1.2 混頻方案選擇

整個(gè)毫米波前端接收組件的電路設(shè)計(jì)都是圍繞SDLVA展開,由于工作頻率在18 GHz以上,超過(guò)了該芯片的工作帶寬,需要變頻,將接收頻率搬移到18 GHz以內(nèi)。通常的變頻組件都會(huì)涉及帶內(nèi)雜散和諧波這2項(xiàng)指標(biāo),由于該組件變頻后直接進(jìn)行視頻檢波輸出,因此需要評(píng)估雜散和諧波這2項(xiàng)指標(biāo)對(duì)視頻輸出的影響。為了模擬簡(jiǎn)單的雜散和諧波信號(hào),評(píng)估測(cè)試板利用2臺(tái)信號(hào)源通過(guò)功分器合成后輸入至SDLVA。

經(jīng)過(guò)評(píng)估測(cè)試,發(fā)現(xiàn)雜散和諧波主要對(duì)檢波信號(hào)幅度抖動(dòng)有影響,即影響檢波信號(hào)的峰峰值和信噪比。雜散和諧波功率越大,檢波信號(hào)抖動(dòng)越厲害。詳細(xì)測(cè)試結(jié)果見表1。由表1可知,混頻產(chǎn)生的雜散信號(hào)不能跟主信號(hào)重疊,如果變頻方案無(wú)法避免,對(duì)該雜散的抑制不能低于25 dBc。

表1 SDLVA評(píng)估板測(cè)試結(jié)果

綜合考慮,射頻信號(hào)的瞬時(shí)帶寬有12 GHz,同時(shí)需要保證中頻信號(hào)在18 GHz以內(nèi),且為了在中頻端對(duì)射頻信號(hào)能夠有足夠的抑制,中頻的最高頻點(diǎn)離18 GHz不能少于2 GHz。最終選擇高本振方案,并由此可以得出,會(huì)落在中頻帶寬內(nèi)的雜散信號(hào)有5類,分別是2LO-3RF,3LO-3RF,2LO-2RF,2RF-LO以及3RF-2LO。其中,只有3RF-2LO組合產(chǎn)生的雜散會(huì)同中頻主信號(hào)重疊,其它雜散離中頻主信號(hào)都較遠(yuǎn),可以不做考慮。調(diào)研后,選用混頻器ML1-1644,該芯片的變頻損耗在整個(gè)工作帶內(nèi)的波動(dòng)不超過(guò)2 dB,同時(shí)對(duì)3RF-2LO的抑制達(dá)到了71 dBc,可以滿足不低于25 dBc的要求。

1.3 靈敏度設(shè)計(jì)

組件的設(shè)計(jì)要求:在-65 dBm輸入時(shí),視頻輸出的信噪比能達(dá)到200 mV以上,瞬時(shí)動(dòng)態(tài)達(dá)到47 dB以上。在2～14 GHz頻段內(nèi),SDLVA的線性動(dòng)態(tài)范圍、噪底功率和噪底電平如表2所示。

表2 SDLVA相關(guān)指標(biāo)

關(guān)于信噪比指標(biāo),需要考慮的噪聲有兩方面:一方面是射頻鏈路引進(jìn)的噪聲;另一方面是SDLVA自身的噪聲。射頻鏈路的噪聲可以通過(guò)下面的計(jì)算公式得到[4]:

PdBm=-174+10lgB+G+fN

(1)

式中:PdBm為射頻鏈路的噪聲輸出功率;B為工作帶寬,此處為12×109Hz;G為射頻鏈路增益;fN為噪聲系數(shù)。

為了滿足組件的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)達(dá)到47 dB,結(jié)合表2,可以得到如下的關(guān)系:

-65 dBm+G(dB)≥-58 dBm

(2)

-18 dBm+G(dB)≤+2 dBm

(3)

為了滿足組件在-65 dBm輸入時(shí)的信噪比>200 mV,需要滿足:

-65 dBm+G(dB)-PdBm>200 mV/LS

(4)

式中:LS為視頻檢波的對(duì)數(shù)斜率,此處的SDLVA后接了增益為4的運(yùn)放,此時(shí)的對(duì)數(shù)斜率LS為60 mV/dB。

為了使組件在-65 dBm輸入時(shí)的線性度盡可能好,需要滿足:

PdBm≥-58 dBm

(5)

結(jié)合式(1)～式(5),可以得出:

fN(dB)<5.67 dB

(6)

16 dB-fN(dB)

(7)

整個(gè)射頻鏈路只要滿足式(6)和(7),即可實(shí)現(xiàn)組件的靈敏度和線性動(dòng)態(tài)范圍。

1.4 鏈路預(yù)算

射頻信號(hào)經(jīng)K-2.92 mm電纜頭饋入射頻通道,經(jīng)開關(guān)動(dòng)態(tài)選擇控制(0/20 dB),高通濾波,低通濾波,數(shù)控衰減,低噪聲放大,下變頻,濾波,檢波輸出。

本振通道由8 GHz鎖相源輸出,經(jīng)濾波、放大、倍頻、濾波、功分為4路,最后每路信號(hào)經(jīng)倍頻、放大、濾波輸出驅(qū)動(dòng)混頻器。

根據(jù)上述分析可知,由于30 GHz對(duì)應(yīng)的噪聲系數(shù)最差,如果該點(diǎn)能夠滿足技術(shù)要求,則其它頻點(diǎn)也肯定能滿足要求。經(jīng)計(jì)算,30 GHz頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的噪聲系數(shù)為5.15 dB,增益為15.3 dB,滿足上面式(6)和式(7)的分析要求。

2 加工及測(cè)試

2.1 電路結(jié)構(gòu)

在較小的體積中設(shè)計(jì)4路電路,每一路都包含射頻放大電路、靈敏度控制電路、混頻電路、中頻放大電路、溫補(bǔ)單元以及檢波電路等,同時(shí)集成了鎖相源、倍頻功分電路以及整個(gè)組件的電源控制電路,采用傳統(tǒng)的射頻電路和控制電路分腔設(shè)計(jì)方法,無(wú)法滿足要求。

如圖4所示,整個(gè)腔體分為A面和B面。其中B面主要集中了整個(gè)組件的電源控制單元和鎖相源,兩者再分別通過(guò)直流過(guò)渡和射頻垂直過(guò)渡到A面;A面則主要集成了射頻電路和電路控制,以及檢波放大電路。其中A面的射頻電路+電源控制采用了混合組裝的方法。

圖4 電路結(jié)構(gòu)

首先將電源控制的印制板燒結(jié)到盒體上,再將射頻軟基板粘接到印制板上,射頻通道之間的隔墻通過(guò)錫膏粘接和螺釘固定的方式固定到印制板和盒體上。

這樣的裝配方式可以大大縮減B面電源控制單元的面積。如圖4所示,只需通過(guò)幾個(gè)直流垂直過(guò)渡就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)組件的控制,使得4路鎖相源電路的實(shí)現(xiàn)成為可能。

整個(gè)組件采用了混合組裝工藝,需要注意合理設(shè)計(jì)溫度梯度,方便后期調(diào)試及維修的可行性。

2.2 測(cè)試結(jié)果

整個(gè)組件在輸入-65 dBm功率時(shí)的靈敏度測(cè)試結(jié)果如圖5所示,視頻輸出電壓全頻段都在200 mV以上,同頻點(diǎn)的視頻輸出電壓一致性不超過(guò)150 mV,即通道一致性≤±1.25 dB。

圖5 組件靈敏度測(cè)試結(jié)果

如圖6所示,輸入功率-65～-18 dBm范圍內(nèi),視頻輸出電壓的線性度不超過(guò)±2 dB,即組件的線性動(dòng)態(tài)范圍>47 dB。

圖6 組件線性度測(cè)試結(jié)果

此外,通過(guò)控制組件內(nèi)部的單刀雙擲開關(guān)以及數(shù)控衰減器,將組件的動(dòng)態(tài)范圍拓寬到-65～+15 dBm,可以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的電磁環(huán)境。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)述了當(dāng)前毫米波偵察環(huán)境的復(fù)雜性,引出了一種應(yīng)用于毫米波比幅測(cè)向系統(tǒng)的前端接收組件。首先對(duì)比了幾種可行的檢波方法,選擇了先變頻再檢波的方案,檢波電路采用SDLVA芯片。接著,制作了SDLVA評(píng)估板,分析了雜散和諧波對(duì)檢波的影響,進(jìn)而確定了具體的變頻方案。然后,分析了SDLVA的靈敏度對(duì)射頻指標(biāo)的要求,依此確定了射頻鏈路的噪聲系數(shù)和增益,并進(jìn)一步完成了整個(gè)鏈路的設(shè)計(jì)。最后,根據(jù)小型化要求,利用射頻電路和電源控制混合設(shè)計(jì)的方法,完成了電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),并提供了一種混合組裝工藝。整個(gè)組件體積小,集成度高,在動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度以及一致性等指標(biāo)方面都達(dá)到了較高的要求,具有廣闊的應(yīng)用前景。