CN108055424B - 2～18GHz大动态检波对数视频放大器 - Google Patents

2～18GHz大动态检波对数视频放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种2～18GHz大动态检波对数视频放大器。该装置包括射频前端、对数放大电路、合成电路；射频前端包括超宽带微带功分器、宽带低噪声放大器和检波器，射频前端将输入的射频信号功率等分为两路，一路进入低噪声放大链路进行放大并检波输出，另一路直接进入检波器并检波输出；对数放大电路将射频前端输出的两路检波视频信号进行对数放大后，输出给合成电路；使用温度补偿电路对对数放大器温度变化下的零点漂移进行温度补偿；合成电路包括加法电路和放大电路，加法电路将对数放大之后的信号以及温度补偿电压进行相加合成，放大电路将合成的信号进行放大，得到最终视频输出信号。本发明具有射频带宽范围大、灵敏度高、工作温度适应性好的优点。

Description

2～18GHz大动态检波对数视频放大器
技术领域
本发明涉及宽带射频信号功率测量技术领域，特别是一种2～18GHz大动态检波对数视频放大器。
背景技术
检波对数视频放大器(DLVA)在现代的接收系统中，需要处理具有窄脉冲和大幅度的高密度脉冲，这就使得对数放大器的使用成为可能。简单地说，这种放大器是通过对数转换功能，将输入的大动态范围的信号浓缩成为足够小的、易处理的信号。对数转换的结果，是使对数放大器的输出电压和输入信号的功率成正比。大多数情况下，对数放大器用作一个幅度检波器，因为其输出电压与输入信号功率成正比，放大器所显示的幅度信息往往比所谓的线性检波器更为实用。
DLVA先用线性响应二极管检波器对输入信号的包络进行检波，然后在随后的视频宽带放大器级内对检波器的输出进行压缩，使之近似于一个对数变换函数。DLVA以牺牲动态范围的代价换得了尽可能宽的工作频率范围。DLVA的动态范围受到输入检波二极管的平方律检波范围的限制，典型的动态范围约为60dB。在很多使用中，并联两个检波器可以将动态范围扩展到约70dB，其中一个检波器前带射频放大器。DL VA的主要局限性产生自视频放大器的增益带宽积。由于放大器的对数转换功能必须在视频部分完成，就需要给低电平的射频信号提供非常大的视频增益(接近二极管的灵敏度)。受视频部分增益带宽积的约束，这个大增益将会影响放大器上升时间和恢复时间。现有的产品中，存在的缺点有：1)工作带宽窄，一般为2-8GHz或者6-18GHz；2)线性动态范围小，一般为60dB左右；3)温度稳定性差，其零点电平在-40℃～+85℃温度变化下波动较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种频段宽、线性动态范围大、电路尺寸小、重量轻、功耗低的2～18GHz大动态检波对数视频放大器。
实现本发明目的的技术解决方案是：一种2～18GHz大动态检波对数视频放大器，包括射频前端、对数放大电路、合成电路；
射频前端包括超宽带微带功分器、宽带低噪声放大器和检波器，射频前端将输入的射频信号功率等分为两路，一路进入低噪声放大链路进行放大并检波输出，另一路直接进入检波器并检波输出；
对数放大电路将射频前端输出的两路检波视频信号进行对数放大后，输出给下一级视频合成电路；使用温度补偿电路对对数放大器温度变化下的零点漂移进行温度补偿；
合成电路包括加法电路和放大电路，加法电路将对数放大之后的信号以及温度补偿电压进行相加合成，放大电路将合成的信号进行放大，得到最终视频输出信号。
进一步地，所述射频前端对输入的射频信号，首先通过2～18GHz的超宽带微带功分器，将信号功率等分为两路：
第一路信号进入放大链路，放大链路包括顺次连接的第一级低噪声放大器、温补衰减器、第二级低噪声放大器、第三级低噪声放大器、衰减器和检波器，其中三级低噪声放大器采用HMC462、每级增益为15dB；一级温补衰减器采用WTVA0400N06WB2、衰减值为4dB；一级衰减器采用ATN3590-05，衰减值为5dB；再加上最前级功分器的功分损耗4dB，整个放大链路的增益为32dB；最终进入检波器MBD-3057进行检波；该放大链路处理-65～-30dBm功率段的信号；
第二路信号直接进入检波器MBD-3057进行检波，该路信号处理-35～5dBm功率段。
进一步地，所述对数放大电路采用两级并行的对数放大芯片L-17D-A，对射频前端的两路输出信号进行对数放大。
进一步地，所述温度补偿电路采用温度传感器TMP36和运算放大器OP184，温度传感器TMP36输出随温度变化的模拟电压，工作温度范围为-40℃～+125℃；温度升高时，温度传感器输出电压升高，补偿对数放大器L-17D-A的零点漂移；温度补偿电路通过运算放大器OP184，将TMP36的输出电压与参考电压相加并输出；调节参考电压以校准温补输出电压的零点。
进一步地，所述合成电路采用两级运算放大器THS3121，首先采用加法电路将前级两路对数放大电路的输出信号和温补输出电压进行相加合成，然后再对合成信号进行放大并最终输出；
加法电路一方面调节两路信号的对数斜率使二者一致，另一方面调节温度补偿电路中温补电压的温度斜率，使对数放大器L-17D-A在工作温度范围内保持零点恒定。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)射频前端采用微带设计的超宽带功分器，配合宽带低噪声放大器，有效地拓展射频带宽，射频带宽为2～18GHz；(2)射频前端采用扩展动态设计，其放大链路的增益分配确保两路扩展信号的无缝衔接；(3)线性动态范围扩展为70dB，正切灵敏度≤-70dBm，对数线性度≤±1；(4)温度补偿电路消除了对数放大器的零点温度漂移，使模块具有良好的温度适应性，确保其工作温度范围达到-40℃～+85℃。
附图说明
图1是本发明2～18GHz大动态检波对数视频放大器的电路结构框图。
图2是本发明的射频前端电路结构框图。
图3是本发明的微带功分器电路模型图。
图4是本发明的微带功分器仿真曲线图。
图5是本发明的对数放大电路图。
图6是本发明的温补电路图。
图7是本发明的合成电路图。
具体实施方式
一种2～18GHz大动态检波对数视频放大器，包括射频前端、对数放大电路、合成电路；
射频前端包括超宽带微带功分器、宽带低噪声放大器和检波器，射频前端将输入的射频信号功率等分为两路，一路进入低噪声放大链路进行放大并检波输出，另一路直接进入检波器并检波输出；
对数放大电路将射频前端输出的两路检波视频信号进行对数放大后，输出给下一级视频合成电路；使用温度补偿电路对对数放大器温度变化下的零点漂移进行温度补偿；
合成电路包括加法电路和放大电路，加法电路将对数放大之后的信号以及温度补偿电压进行相加合成，放大电路将合成的信号进行放大，得到最终视频输出信号。
进一步地，所述射频前端对输入的射频信号，首先通过2～18GHz的超宽带微带功分器，将信号功率等分为两路：
第一路信号进入放大链路，放大链路包括顺次连接的第一级低噪声放大器、温补衰减器、第二级低噪声放大器、第三级低噪声放大器、衰减器和检波器，其中三级低噪声放大器采用HMC462、每级增益为15dB；一级温补衰减器采用WTVA0400N06WB2、衰减值为4dB；一级衰减器采用ATN3590-05，衰减值为5dB；再加上最前级功分器的功分损耗4dB，整个放大链路的增益为32dB；最终进入检波器MBD-3057进行检波；该放大链路处理-65～-30dBm功率段的信号；
第二路信号直接进入检波器MBD-3057进行检波，该路信号处理-35～5dBm功率段。
进一步地，所述对数放大电路采用两级并行的对数放大芯片L-17D-A，对射频前端的两路输出信号进行对数放大。
进一步地，所述温度补偿电路采用温度传感器TMP36和运算放大器OP184，温度传感器TMP36输出随温度变化的模拟电压，工作温度范围为-40℃～+125℃；温度升高时，温度传感器输出电压升高，补偿对数放大器L-17D-A的零点漂移；温度补偿电路通过运算放大器OP184，将TMP36的输出电压与参考电压相加并输出；调节参考电压以校准温补输出电压的零点。
进一步地，所述合成电路采用两级运算放大器THS3121，首先采用加法电路将前级两路对数放大电路的输出信号和温补输出电压进行相加合成，然后再对合成信号进行放大并最终输出；
加法电路一方面调节两路信号的对数斜率使二者一致，另一方面调节温度补偿电路中温补电压的温度斜率，使对数放大器L-17D-A在工作温度范围内保持零点恒定。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
结合图1、图2，本发明的2～18GHz大动态检波对数视频放大器，由射频前端、对数放大电路、合成电路构成。主要技术指标有：1.工作频率：2～18GHz；2.正切灵敏度≤-70dBm；3线性动态范围-65dBm～5dBm；4.对数斜率：60±2mV/dB；5.对数线性度：≤±1；6.频率平坦度:≤±1.5dB；7.脉冲上升沿:≤25nS；8.脉冲下降沿:≤150nS；9.工作温度范围：-40～+85℃；10.尺寸：(长)89mm×(宽)63.5mm×(高)15mm；11.功耗：≤7.5W(按供电±12V计算)12.重量：≤140g；
结合图2，射频前端电路采用宽带扩展动态设计，具体方法如下：输入级首先通过2-18GHz的超宽带微带功分器，将信号功率等分为两路。功分之后的第一路信号进入放大链路，放大链路为3级低噪声放大器HMC462、每级增益为15dB；一级温补衰减器WTVA0400N06WB2、衰减值为4dB；一级衰减器ATN3590-05，衰减值为5dB；再加上最前级功分器的功分损耗4dB，整个放大链路的增益为32dB。衰减后进入检波器MBD-3057进行检波。检波器MBD-3057的最小检测灵敏度为-38dBm，饱和输入功率为2dBm。按照此增益分配设置，第一路放大链路可以处理-65～-30dBm功率段的信号，输入信号的正切灵敏度为-70dBm。对于超过-30dBm的功率段，其抵达检波器输入口的功率为2dBm，此时检波器已经饱和，检波器的输出将维持一个恒定值。功分器输出第二路，直接进入检波器MBD-3057进行检波，处理-35～5dBm功率段；对于功率在-35dBm以下的信号，因为其功率接近检波器的最小检波灵敏度，其检波输出功率可以忽略。按照如上所述的增益配置，-65～-30dBm和-30～+5dBm两段信号可以实现无缝衔接，拼接成-65～+5dBm的一整段信号，对数线性度≤±1。
结合图3，微带功分器采用Rogers5880基板制作而成，板材厚度为0.254mm；R1、R2、R3为0402封装片式陶瓷电阻，阻值分别为100欧姆、200欧姆、400欧姆。功分器的仿真曲线见图4，其在2-18GHz频段内的回波损耗≤-10dB，满足超宽带的射频性能要求。低噪声放大器HMC462为超宽带低噪声放大器，工作频段为2～20GHz。超宽带微带功分器，搭配超宽带低噪声放大器，使得大动态检波对数视频放大器的射频带宽达到2～18GHz、线性动态范围达到-65～+5dBm。
结合图5，对数放大电路中使用两级并行的对数放大芯片L-17D-A，对射频前端的两路输出信号进行对数放大。由于对数放大器的小信号增益极高，其零点漂移效应也显得特别明显。在合成电路中，使用温补电路对L-17D-A的零点漂移进行温度补偿。
结合图6，温补电路使用温度传感器TMP36和运算放大器OP184实现。温度传感器TMP36输出信号为随温度变化的模拟电压，其工作温度范围为-40℃～+125℃。温度升高时，温度传感器输出电压变高，该特性正好和对数放大器L-17D-A的零点漂移特性相反。温补电路通过运算放大器OP184，将TMP36的输出电压与一个参考电压相加并输出。参考电压可以灵活调节，以校准温补输出电压的零点。
结合图7，合成电路采用两级运算放大器THS3121，首先采用加法电路将前级两路对数放大器的输出信号和温补输出电压进行相加合成，然后再对合成信号进行放大并最终输出。加法电路可以分别调节两路信号的对数斜率，使之保持一致，从而改善整个功率范围内的对数线性度。温补电压的温度斜率可以通过加法电路调节，以适应整个系统的温度变化斜率，确保对数放大器L-17D-A在工作温度范围内保持零点稳定。合成之后的最终对数斜率，可以通过调节最末级运算放大器的放大倍数进行整体调节。

Claims (5)

1.一种2～18GHz大动态检波对数视频放大器，其特征在于，包括射频前端、对数放大电路、合成电路和温度补偿电路；
射频前端包括超宽带微带功分器、宽带低噪声放大器和检波器，射频前端将输入的射频信号功率等分为两路，一路进入放大链路进行放大并检波输出，另一路直接进入检波器并检波输出；
对数放大电路将射频前端输出的两路检波视频信号进行对数放大后，输出给下一级合成电路；使用温度补偿电路对对数放大电路温度变化下的零点漂移进行温度补偿；
合成电路包括加法电路和放大电路，加法电路将对数放大之后的信号以及温度补偿电压进行相加合成，放大电路将合成的信号进行放大，得到最终视频输出信号。
2.根据权利要求1所述的2～18GHz大动态检波对数视频放大器，其特征在于，所述射频前端对输入的射频信号，首先通过2～18GHz的超宽带微带功分器，将信号功率等分为两路：
第一路信号进入放大链路，放大链路包括顺次连接的第一级低噪声放大器、温补衰减器、第二级低噪声放大器、第三级低噪声放大器、衰减器和检波器，其中三级低噪声放大器采用HMC462、每级增益为15dB；一级温补衰减器采用WTVA0400N06WB2、衰减值为4dB；一级衰减器采用ATN3590-05，衰减值为5dB；再加上最前级功分器的功分损耗4dB，整个放大链路的增益为32dB；最终进入检波器MBD-3057进行检波；该放大链路处理-65～-30dBm功率段的信号；
第二路信号直接进入检波器MBD-3057进行检波，该路信号处理-30～5dBm功率段。
3.根据权利要求1所述的2～18GHz大动态检波对数视频放大器，其特征在于，所述对数放大电路采用两路并行的对数放大芯片L-17D-A，对射频前端的两路输出信号进行对数放大。
4.根据权利要求3所述的2～18GHz大动态检波对数视频放大器，其特征在于，所述温度补偿电路采用温度传感器TMP36和运算放大器OP184，温度传感器TMP36输出随温度变化的模拟电压，工作温度范围为-40℃～+125℃；温度升高时，温度传感器输出电压升高，补偿对数放大芯片L-17D-A的零点漂移；温度补偿电路通过运算放大器OP184，将TMP36的输出电压与参考电压相加并输出；调节参考电压以校准温补输出电压的零点。
5.根据权利要求3所述的2～18GHz大动态检波对数视频放大器，其特征在于，所述合成电路采用两级运算放大器THS3121，首先采用加法电路将前级两路对数放大电路的输出信号和温补输出电压进行相加合成，然后再对合成信号进行放大并最终输出；
加法电路一方面调节两路信号的对数斜率使二者一致， 另一方面调节温度补偿电路中温补电压的温度斜率，使对数放大芯片L-17D-A在工作温度范围内保持零点恒定。
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