CN106941359A - 毫米波大功率低噪声接收前端 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种毫米波大功率低噪声接收前端，旨在提供一种解决毫米波低噪声接收机抗大功率烧毁和大动态范围难点的接收前端。本发明通过下述技术方案予以实现：当高功率射频输入信号进入接收前端，首先通过微带功分网络进行N路功分，功分为N路射频信号，每一路信号功率降低为射频输入信号的1/N，每路射频信号通过限幅器限幅，将每一路信号功率限制在毫瓦量级，再经与限幅器相串联的低噪声放大器放大送入功率合成网络，将这N路信号进行功率合成，合成输出为一路射频信号。本发明大幅降低了每一路限幅器的输入功率，从而大幅提高了接收前端的抗功率烧毁指标；合成信号的1dB压缩点比单路信号大幅提高，从而增大了接收前端的动态范围。

Description

毫米波大功率低噪声接收前端

技术领域

本发明涉及一种微波通信、导航、卫星通信领域，主要用于抗烧毁功率＞两瓦小型化毫米波大功率接收机的大功率大动态低噪声接收前端。

背景技术

接收机是微波、毫米波系统的重要组成部分，接收机的作用是通过天线收集发射端送来的微弱的电磁波信号，从传播信道内众多的电磁波中选出规定的频带，并逐级加以放大和降频，使经过遭受到环境衰落的信号成为有用的信息并拥有最小的失真度，而接收前端对整个接收机起着关键的作用，所以设计和制造出集成度高、重量轻、性能优良、可靠性高的接收前端意义非常大。低噪声放大器作为超宽带接收前端中最易烧毁的部分，在处于开关和限幅器之后,接收来自雷达目标的回波信号,在发射期承受来自发射机的泄漏功率,处于复杂的电磁兼容环境之中,属于易损坏部件。因此有效提高其抗烧毁能力对整个射频接收前端抗烧毁性能至关重要。毫米波低噪声接收前端一般具有很低的噪声系数，对较低功率电平进行放大。其核心器件低噪声放大器芯片(通常为BJT类或MESFET类晶体管)能够承受的输入功率值通常较小，一般为毫瓦量级。而在大功率的发射机所发射的信号的峰值功率可能超过百瓦量级，甚至可能达到千瓦或兆瓦的量级，而信号最终发射所使用的天线往往也同时作为接收机的信号接收天线。发射机发射的大功率信号可能有一部分通过天线反射或其他途径而泄露到接收机中，即使只有极小部分的功率泄露，也可能造成低噪声放大器芯片核心半导体器件的烧毁。此外，无线系统所在的工作场所中的电磁环境通常是非常复杂的，接收机除了会受到系统内部所发射信号的高功率泄露的威胁之外，接收机的前端天线还有可能接收到附近其他频段的具有较强功率电平的干扰信号源所发出的强电磁波。这种大功率干扰信号不仅会影响正常的信号接收与处理，也可能会对低噪放中敏感的半导体器件造成损毁，因此低噪放的抗烧毁电路设计也有待进一步的丰富与完善。所以提高接收机的抗烧毁能力以及动态范围就成为接收机整体设计中不可或缺的重要一环。

接收机的输入端通常具有一个高灵敏度的低噪声放大器。系统内部所发射信号的高功率泄露以及附近的大功率干扰信号均可能造成低噪声放大器中核心半导体器件的烧毁，致使接收机整体失效，所以提高接收机的抗烧毁能力在接收机整体设计中占有重要地位。目前国内外对接收机的抗烧毁研究集中于前级限幅器和后级晶体管器件。但传统限幅器的宽带大信号性能存在不足，限幅器级间四分之一波长线很难满足超宽带应用的要求，在低频段下尺寸较大。除此之外，低噪放中器件供电模块的输出电压在非正常工作状态下可能产生较大的波动，而器件的栅极能够承受的电压通常较低，所以当波动范围较大时，栅极可能发生不可逆的热击穿。且栅极电压的剧烈变化也会导致漏源电流的急剧增加从而导致半导体器件的过流烧毁。以上几种情况下对器件造成的损坏通常是不可恢复的永久性损毁，会导致接收机整体失效，从而影响整个无线系统的正常运作。针对接收机低噪声接收前端要实现抗大功率烧毁和大动态范围非常困难，为了保护低噪声接收前端，常规方案是在接收通道前端增加能耐受大功率的器件实现抗大功率烧毁功能，这些器件包括放电管、铁氧体开关、限幅芯片以及射频开关芯片，下面将分析每种方案的优缺点：

1)放电管和铁氧体开关具有插损小、耐功率大特点，可以实现接收前端抗大功率烧毁，但因为体积重量太大而不能满足弹上设备轻小型化要求。

2)微波限幅器是小型化接收前端的必要组成部分。作为接收机抗烧毁的核心部件限幅器发展到今天已经较为成熟。在种类繁多的固态限幅器中，平面限幅器应用最为广泛，其最基本的电路形式包含一个PIN二极管，扼流电感和输入、输出隔直电容。PIN二极管与扼流电感均并联在主信号链路上。限幅器根据其核心器件的不同，分为多种类型：气体放电管限幅器、铁氧体限幅器、体效应限幅器和固体器件限幅器，因其宽带大信号性能存在局限性，不能有效满足超宽带接收机宽带抗烧毁性能的要求。由于限幅器对大功率信号的衰减仍然依靠结电容所引入的很小的失配损耗，导致输出功率较大，此较大的输出功率值被称为尖峰泄露功率。为了防止高灵敏接收机前置低噪声放大器芯片(LNA)被发射的泄漏功率烧毁,需要在前置低噪声放大器芯片前面安置PIN二极管限幅器,通过控制PIN二极管的工作状态，在高功率的微波信号通过限幅器时被衰减到较低的功率电平,而小功率微波信号则以较小的插损顺利通过。当输入功率增加到某一额定值时，限幅器可能被烧毁，这是因为当射频功率增加时，PIN二极管内产生很大的电流，过载电流将二极管烧毁，输入功率通常不能超过限幅器的极限功率。限幅器不能超载工作，任何超额瞬间的高功率脉冲，都会引起限幅器的损坏。目前单只限幅芯片耐受功率最高水平在两、三瓦左右，远小于系统大功率发射机泄露功率。PIN二极管烧毁通常有两种情况：输入信号功率电平较高使PIN二极管积累过多热量而烧毁；输入信号反向电压过大使PIN二极管反向热击穿。传统宽带限幅器设计通常基于小信号宽带匹配，以满足小信号宽带要求为设计出发点。其等效结构通常利用小信号下PIN二极管的结电容等效模型，与引线电感和级间微带线等效电感等构成低通滤波器结构以满足宽频带低插入损耗的要求。但是在满足小信号宽带匹配的情况下，往往无法兼顾大信号下的阻抗变换需求。传统多级限幅器间的四分之一波长线作为级间网络，只能在单一频点将此短路PIN二极管的小阻抗值变换为高阻抗。但是对于宽带应用，微带线电长度会随频率变化，所以四分之一波长线不能在一个较宽频带内满足阻抗变换的功能。

3)在某些特定功能的收发组件中,在发射通道发射功率信号的同时,系统会通过接收通道中的单刀单掷(SPST)开关芯片将接收通道关闭,最大限度地保护前端低噪声放大器芯片等功率敏感器件。射频开关芯片是目前收发前端应用最多的一种保护电路，具有插损小、体积小的特点，但是耐受功率不够大，目前芯片厂商最高水平在两瓦左右，远小于系统大功率发射机泄露功率。而且该方案还具有控制时序复杂、接收机恢复时间长等缺点。

综上所诉，常规方案不能解决接收机低噪声接收前端抗大功率烧毁难点，同时对动态范围指标也没任何改善。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种可解决抗大功率烧毁以及大动态范围等难点的毫米波大功率大动态低噪声接收前端，以突破毫米波大功率接收机不能实现抗大功率烧毁以及大动态范围的瓶颈。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种毫米波大功率低噪声接收前端，包括：微带功分网络1、N只限幅器芯片2、N只低噪声放大器芯片3和微带功率合成网络4，其特征在于：当高功率射频输入信号进入接收前端，首先通过微带功分网络1进行N路功分，功分为N路射频信号，每一路信号功率降低为输入射频信号的1/N，每路射频信号通过限幅器芯片2限幅，将每一路信号功率限制在毫瓦量级，再经与限幅器芯片2相串联的低噪声放大器芯片3构成的匹配网络放大后送入功率合成网络4，将这N路信号进行功率合成，合成输出为一路射频信号。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明整个接收前端包含微带功分网络1、N只限幅器芯片2、N只低噪声放大器芯片3和微带功率合成网络4，结构简单。采用N只限幅器芯片2和N只低噪声放大器芯片3串联结构，提高了接收前端的抗功率烧毁指标。当大功率信号进入接收前端，通过微带功分网络1进行N路功分，每路信号功率降低为1/N，大幅降低了每一路限幅器芯片的输入功率，然后通过限幅器芯片2对每一路信号进行限幅，进一步降低每一路信号功率，保证了后面的低噪声放大器芯片3不会被大功率信号烧毁。这样大幅提高了接收前端的抗功率烧毁指标，可以使接收前端的抗功率烧毁指标比常规方案提高N倍。并且这种采用多级级联的方式提高了限幅器的隔离度。

本发明为了增大接收前端动态范围，采用N路信号分别经过低噪声放大器芯片3进行低噪声放大，通过微带功分网络1插损小于0.2dB，输入、输出驻波小于1.4，十分利于减小接收前端的噪声系数。最后通过功率合成网络4将这N路信号进行功率合成，使得微带功率合成网络4的输入、输出驻波小于1.4，且隔离度大于20dB。这样合成信号的1dB压缩点比单路信号提高N倍，大幅提高了接收前端动态范围。可以使接收前端的动态范围比常规方案提高N倍。

本发明毫米波大功率低噪声接收前端采用了单面多芯片集成技术以及双面布局结构，不仅将N只限幅器芯片2和N只低噪声放大器芯片3集成于单面狭小空间，而且将电源电路也集成于接收前端内部，使得接收前端具有结构紧凑、体积小的特点。限幅器芯片2和低噪声放大器芯片3为裸芯片，它们之间没有经过微带，而是直接采用金丝连接。

本发明将接收前端抗功率烧毁指标和动态范围指标比常规方案分别提高N倍，突破了小型化毫米波大功率接收机难以实现抗大功率烧毁和大动态范围的瓶颈。

附图说明

图1是本发明毫米波大功率低噪声接收前端的电路原理框图。

图中：1微带功分网络、2限幅器芯片、3低噪声放大器芯片、4微带功率合成网络。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

图1中，毫米波大功率低噪声接收前端，主要包括：微带功分网络1、N只限幅器芯片2、N只低噪声放大器芯片3、微带功率合成网络4。当高功率射频输入信号进入接收前端，首先通过微带功分网络1进行N路功分，功分为N路射频信号，每一路信号功率降低为输入射频信号的1/N，每路射频信号通过限幅器芯片2限幅，将每一路信号功率限制在毫瓦量级，再经与限幅器芯片2相串联的低噪声放大器芯片3构成的匹配网络放大后送入功率合成网络4，将这N路信号进行功率合成，合成输出为一路射频信号。其中功分路数N可以根据具体抗功率烧毁指标以及具体动态范围指标进行确定，其中N为自然数。

接收前端抗功率烧毁指标为P_输入＝P_限幅×N₁，动态范围指标为DR_-1＝N₂P_-1/P_min，接收前端功分路数N取N₁和N₂两者最大值，式中：N₁根据抗功率烧毁指标确定的功分路数，P_输入为接收前端能承受的最大射频输入信号功率，P_限幅为单只限幅器芯片能承受的最大射频输入信号功率，N₂为根据动态范围指标确定的功分路数，DR_-1为接收机动态范围，P_-1为单只低噪声放大器芯片1dB压缩点对应的输入功率，P_min为接收机能检测的最小信号功率。

毫米波大功率低噪声接收前端采用双面布局结构的单面多芯片集成技术，将N只限幅器芯片2和N只低噪声放大器芯片3集成于单面狭小空间，而且将电源电路也集成于接收前端内部，使得接收前端具有结构紧凑、体积小的特点。限幅器芯片2和低噪声放大器芯片3为裸芯片，它们之间没有经过微带，而是直接采用金丝连接。

微带功分网络1选用三层毫米波介质板，介质板之间通过粘贴膜粘贴在一起，功分器位于多层微带板的内部，其传输线为带状线，上下都有地层。功分器采用改进型威尔金森功分结构，引入了扇形结构传输线，可以有效降低传输损耗，带状线是由中心金属导带与上下金属接地板构成的。带状线可看成是同轴线的变形，其主模为TEM模.对比主模为准TEM模的微带线，带状线有更低的插损和更大的功率容量。中心金属导带带和接地金属板之间为空气或其它填充介质。由于带状线功分器在介质板的内部布线，上下都有地层，因此其传输的信号不易受到干扰，同时，大大简化了结构设的复杂性。功分器将输入信号分成相等或不等的几路功率输出的一种多端口微波网络。

限幅器是用来避免信号的峰值超过某一电平，避免放大器的过负荷。限幅器通过允许低于特定水平的射频信号通过，并大幅度衰减超过阈值的较大信号来避免过载。限幅器利用PIN二极管的结电阻随着正向电流的大小而变化的特性，实现对射频信号的反射衰减。当射频信号较小时，未达到PIN二极管导通的限幅门限，二极管未导通，并联在传输线上的二极管呈现高阻抗，信号则顺利地达到输出端负载。当信号逐渐增大，达到或超过PIN二极管限幅门限，PIN二极管正向导通，结电阻变小，形成传输线上的短路面，大部分功率被反射，到达输出端负载的信号大大减小并保持在一定功率水平。

本实施例采用的限幅器芯片2可以是基于PIN管的大功率限幅器芯片，该限幅器芯片具有小功率信号低损耗直通，大功率信号大衰减限幅的良好性能。也可以是Ka波段小型化限幅器，其外形尺寸较小，整体尺寸为2mm×1.1mm×0.5mm。此限幅器也采用检波自偏置结构。输入连续波功率2W时，泄露功率4mW，差损小于0.8dB。在上述多级限幅器电路中，还可以考虑引入级间LC宽带阻抗变换网络，以取代传统多级限幅器的级间四分之一波长线，减小限幅器的尺寸。同时与传统四分之一波长线限幅器相比，使用此LC级间网络的限幅器还能够在隔离度与尖峰泄露功率两个方面获得性能提升。

低噪声放大器芯片3可以采用薄膜混合集成电路和先进的共晶微组装工艺，应用平衡式放大电路，精心研制而成的宽频带低噪声放大器芯片。宽带低噪声放大器芯片的噪声系数、增益、增益平坦度、输入输出驻波比以及1dB压缩点的功率均达到和超过指标要求，并且该放大器在整个Ka频段表现性能优良。在上述低噪声放大器输入匹配网络中可以考虑引入肖特基削波二极管。为了满足宽带大信号阻抗变换和减小多级限幅器尺寸的要求，可以在限幅器级间阻抗变换网络处引入一类低通滤波LC阻抗变换网络，此网络位于两级PIN二极管之间，可以在较宽频段内将短路负载转换为较大输入阻抗值，且当端接标准匹配负载时，插入损耗很小。这样相较于传统的四分之一波长线，可以降低限幅器的宽带大信号尖峰泄露功率，且此网络完全由集总参数的电容与电感组成，在尺寸上远远小于相应频段下的四分之一波长线，这样就会大大的减小多级限幅器的最终尺寸。此外，考虑到限幅器在大信号输入下呈现的强非线性特征，其输出会包含信号的各次谐波分量，当输入信号较大时谐波分量通常不可忽略。

微带功率合成网络采用多节长度相等的耦合传输线方式，并在输入输出端口增加了匹配网络，可以有效增大端口隔离度，并减小端口驻波。

Claims (10)

1.一种毫米波大功率低噪声接收前端，包括：微带功分网络(1)、N只限幅器芯片(2)、N只低噪声放大器芯片(3)和微带功率合成网络(4)，其特征在于：当高功率射频输入信号进入接收前端，首先通过微带功分网络(1)进行N路功分，功分为N路射频信号，每一路信号功率降低为输入射频信号的1/N，每路射频信号通过限幅器芯片(2)限幅，将每一路信号功率限制在毫瓦量级，再经与限幅器芯片(2)相串联的低噪声放大器芯片(3)构成的匹配网络放大后送入功率合成网络(4)，将这N路信号进行功率合成，合成输出为一路射频信号，其中N为自然数。

2.根据权利要求1所述的毫米波大功率低噪声接收前端，其特征在于，接收前端抗功率烧毁指标为P_输入＝P_限幅×N₁，动态范围指标为DR_-1＝N₂P_-1/P_min，接收前端功分路数N取N₁和N₂两者最大值，式中：N₁为根据抗功率烧毁指标确定的功分路数，P_输入为接收前端能承受的最大射频输入信号功率，P_限幅为单只限幅器芯片能承受的最大射频输入信号功率，N₂为根据动态范围指标确定的功分路数，DR_-1为接收机动态范围，P_-1为单只低噪声放大器芯片1dB压缩点对应的输入功率，P_min为接收机能检测的最小信号功率。

3.根据权利要求1所述的毫米波大功率低噪声接收前端，其特征在于，毫米波大功率低噪声接收前端采用双面布局结构的单面多芯片集成技术，将N只限幅器芯片(2)和N只低噪声放大器芯片(3)集成于单面狭小空间，而且将电源电路也集成于接收前端内部。

4.根据权利要求1所述的毫米波大功率低噪声接收前端，其特征在于，限幅器芯片(2)和低噪声放大器芯片(3)为裸芯片，它们之间没有经过微带，而是直接采用金丝连接。

5.根据权利要求1所述的毫米波大功率低噪声接收前端，其特征在于，微带功分网络(1)选用三层微波介质板，介质板之间通过粘贴膜粘贴在一起，功分器位于多层微带板的内部，其传输线为带状线，上下都有地层。

6.根据权利要求1所述的毫米波大功率低噪声接收前端，其特征在于，功分器采用改进型威尔金森功分结构，引入了扇形结构传输线，带状线是由中心金属导带与上下金属接地板构成的。

7.根据权利要求1所述的毫米波大功率低噪声接收前端，其特征在于，中心金属导带带和接地金属板之间为空气或其它填充介质。

8.根据权利要求1所述的毫米波大功率低噪声接收前端，其特征在于，微带功率合成网络采用多节长度相等的耦合传输线方式，并在输入输出端口增加了匹配网络。

9.根据权利要求1所述的毫米波大功率低噪声接收前端，其特征在于，限幅器芯片(2)是基于PIN管的大功率限幅器芯片或Ka波段小型化限幅器。

10.根据权利要求1所述的毫米波大功率低噪声接收前端，其特征在于，在多级限幅器电路中，引入级间LC宽带阻抗变换网络；在低噪声放大器输入匹配网络中引入肖特基削波二极管。