CN1176538A - 用于无源辐射测量成象系统的直接检测接收机 - Google Patents

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Abstract

一种用于无源微波及毫米波辐射测量成象系统的直接检测接收机。该接收机包括一个平衡开关低噪声放大器(BSLNA)。在BSLNA的前面接入一个前端、低噪声放大器(LNA)以得到低噪声图形并提供足够的增益以使由BSLNA的损耗造成的输入噪声图形退化为最小。一个高电子迁移率晶体管(HEMT)二极管充当功率检波器。对于单块集成,前端放大器、BSLNA和二极管在加工处理上是相容的。

Description

用于无源辐射测量成象系统的直接检测接收机
本发明涉及用于源微波及毫米波辐射测量成象系统的单块式(monolithic)、低噪声、同步直接检测接收机，尤其涉及一种为实现低噪声图形带有前端低噪声放大器(LNA)的低噪声平衡开关放大器(BSLNA)，并提供足够的增益以使因该开关放大器电路的损耗而造成的输入噪声图象退化为最小，该开关放大器电路可单块地和高电子迁移率晶体管(HEMT)二极管集成以构成适用于焦面阵列成象系统的直接检测接收机。
辐射测量成象系统在技术上是广泛了解的。在美国专利5,438,336中公开这种系统的一个例子，该专利已转让给和本发明的受让人相同的受让人，从而在此作为参考文献。这种辐射测量成象系统是无源成象系统，用于在所谓的焦面成象阵列的视场中感测微波和毫米波辐射，例如热辐射。感测到的辐射转换成输出信号以构成发射该辐射的物体的图象。因为微波辐射和毫米波辐射对环境障碍，例如雾、霾、小雨、灰尘和烟，仅衰减有限的程度，这些成象系统在各种商业和军事应用中是有用的。例如，如在美国5,202,692中所公开的，这种辐射测量系统已知例如用于飞机导航。还已知这种成象系统用于在低能见度条件下辅助飞机着陆，并且应该对船舶在雾天和其它各种低能见度条件下辅助港口及河道领航是有用的。这种系统还可用于在低能见度条件下提供作战目标的图象，并可应用于美国5,198,776号专利中概括公开的其它各种情况下。
已知这些辐射测量成象系统利用不同类型的接收机检测微波及毫米波辐射。例如，已知直接检测接收机和外差式(heterodyne-type)接收机两种接收机。例如，美国5,202,692号专利的图4和图5图示说明和辐射测量成象系统一起使用的已知外差式接收机。遗憾的是，这样的外差式接收机需要一个本机振荡器，其增加了接收机硬部件的数量并且还增大总功率要求。另外，已知本机振荡器是相对体积大的，从而通常使它们不适用于单块集成。
从而，已知使用直接检测接收机可免除对本机振荡器的需要。在美国4,557,272号专利中公开这种直接检测接收机的一个例子。该系统利用所谓的狄基(Dicke)开关对来自未知源的辐射和基准信号进行比较。狄基开关作用是使按恒速把接收机的输入在接收来自未知源的电磁辐射的天线和已知源之间进行切换。接着放大并检测转接的或调制的信号。在1946年7月的The Review of Scientific Instruments杂志卷17第7期由R.H.Dicke所著的“微波频率下的热辐射测量”一文中狄基开关得到详细讨论。利用狄基开关的直接检测接收机不适用于单块集成。在美国5,149,198号专利中概括地讨论了采用狄基开关的直接检测接收机的其它缺点。
还已知用于辐射测量成象系统的采用所谓的狄基开关的替换物的直接检测接收机。在美国5,149,198号专利中公开这种系统的一个例子。在这份专利中公开的所谓狄基开关的替换物包括一对定义一对输入端口和一对输出端口的混合环。输入端口适于和要检测的辐射源以及基准源相连接。在输入端口和输出端口之间建立两条并行的通路。在一条通路上，一对放大器和一个0-180°的移相开关连接，该移相开关又和一个输出端口连接。在另一条通路上，在输入端口和输出端口之间连接着两个放大器。这份专利所说明的这种狄基开关替换物的一个优点在于，信号在切换前得到放大，从而提高了辐射计的信噪比。但是，在这种结构下，混合环引起的损耗是相当明显的，其势必会降低接收机的温度灵敏性。
本发明的一个目的是解决现有技术中的各种问题。
本发明的另一个目的是提供一种适用于整体集成的直接检测接收机。
本发明的再一个目的是提供一种用于辐射测量成象系统的带有增强的系统噪声性能的直接检测接收机。
简言之，本发明涉及用于无源微波和毫米波辐射测量成象系统的直接检测接收机。该接收机包括一个低噪声平衡开关放大器(BSLNA)。在BSLNA的前端接入一个前端低噪声放大器(LNA)以得到低噪声图形，而且该前端放大器提供足够的增益以使由BSLNA损耗引起的输入噪声图形退化为最小。一个高电子迁移率晶体管(HEMT)二极管充当功率检测器。为了整体集成相协调地加工处理前端放大器、BSLNA和二极管。
根据下述说明及附图可容易地理解本发明的这些和其它的目的。其中：
图1是根据本发明的直接检测接收机的方块图；以及
图2是按照本发明的直接检测的方块图，其按七级低噪声开关放大器和检波器实现。
参见图1，图中表示根据本发明的一种直接检测接收机的方块图。该概括地用参考标号20标明的直接检测接收机包括一个前端低噪声放大器(LNA)21、一个低噪声平衡开关高增益放大器22，该高增益放大器22包括一个低噪声放大器24和一个开关26，开关26示成为一个双刀单掷开关。前端LNA 21的输出和开关26的一个刀极连接。开关26的另一个刀极和来自输入阻抗31的基准信号连接。开关26的公用端和放大器24连接。放大器28的输出和二极管30连接，以用于功率检波。二极管30可以实现成高电子迁移率晶体管(HEMT)二极管，这种二极管固有地具有高1/f噪声，这有利于接收机20的整体集成。二极管30的输出端和同步电路32连接，同步电路32借助时钟34把输出信号和开关26的切换同步起来。
本发明的一个重要方面是前端LNA 21提供足够的增益以使由于开关放大电路(即BSLNA)的损耗造成的输入噪声图形退化最小。BSLNA22是一个高增益放大器。它在中等射频频率上放大和调制输入信号以抑制1/f噪声对功率检测器二极管30的影响。BSLNA 22输出端处(即放大器28的输出端处)的调制信号施加到功率检波器30，接着再施加到同步或解调电路32，以生成对应于输入景物辐射测量温度的输出电压。
参见图2，直接测量接收机20可以实现成一个整体的多级、低噪声放大检测器，它包括BSLNA 22(在虚框内)、前端LNA 21以及功率检波器二极管30。BSLNA用四个3分贝90°混合耦合器38、40、42和44、二个0°-180°反射移相器46及48以及七个低噪声高增益放大器50、52、54、56、58、60及62实现。LNA 21实施成为一个二级放大器，在图2中用参考标号21a和21b标示。
感兴趣的毫米波或微波信号耦合到输入端口66，然后再耦合到前端LNA 21a和21b的输入端。输入端口36适用于和不同类型的天线元件(未示出)连接。
如熟练的技术人员周知，混合耦合器38、40、42和44可以是Lange耦合器或者可是支线耦合器。在Steven A.Maas所著的“Nonlinear Microwave Circuits(非线性微波电路)”(1988年ArtechHouse出版社出版)一书中(第五章，209-230页)详细讨论了该类的不同形式的混合耦合器。例如在美国5,149,198号专利中公开的混合环也可用作为混合耦合器38、40、42和44。如所示，每个混合耦合器38、40、42和44包括两个输入端口和两个输出端口。每个混合耦合器38、40、42和44的输入端口中的一个端口和基准信号连接，例如分别和来自负载电阻68、70、72和74的阻抗匹配噪声信号连接。
混合耦合器38把来自输入端口 66的输入信号以及来自负载电阻68的基准信号耦合到两条并行通路，即第一通路76和第二通路78中。尤其，混合耦合器38把来自输入端口66的输入信号在其原有相位下施加到第一通路76，并且把该输入信号按相对于施加给第一通路的信号90°异相地施加到另一条通路78。类似地，来自负载电阻68的基准信号被分离成一个同相信号和一个与该基准信号相差90°的信号，该同相信号和来自输入端口66的异相信号一起施加到通路78，而该与基准信号相差90°的异相信号和来自输入端口66的同相信号一起施加到通路76。
通路76和78中的每条通路各包括一个低噪声放大器50和52和一个0°-180°反射移相器46和48。移相器46和48包括一个3分贝90°混合耦合器，其运行方式和上面说明的混合耦合器38的运行方式相同。移相器46和48还包括开关装置(未示出)，例如如1995年5月12日申请的美国专利申请08/444,555中详细公开的开关装置，该专利申请从而作为本文的参考文献。开关装置调制通路76和78上的信号。尤其，通过组合两条通路76和78里的同相(0°)信号或异相(180°)信号，可实现开关功能。
如上述提及的专利申请中所概括地说明的那样，向开关装置施以控制信号以控制移相器46和48的输出，从而用基准信号改变或调制来自输入端口36的输入信号。请重新参见图1，向开关装置施加例如100HZ方波的时钟34以控制开关动作。
第二混合耦合器40把来自通路76和78的输出以及来自输入阻抗70的基准信号耦合到串联的高增益、低噪声缓冲放大器54、56和58上。缓冲放大器54、56和58的输出耦合到耦合器42，来自输入电阻72的基准信号也进入耦合器42，耦合器42形成两条并行通路80和82。并行通路80和82各包括一个低噪声、高增益放大器60和62，这二个放大器的输出再和来自输入电阻74的基准信号一起耦合到第四耦合器44中。耦合器44把来自通路80和82的信号耦合到输出端口84，接着进入二极管检波器30，后者把来自BSLNA 22的射频信号转换成供信号处理的可比较的直流电平。
同步电路32把二极管检波器30的信号处理和BSLNA 22的切换同步起来。如狄基开关辐射计中普遍应用的那样，同步电路提供对二极管检波器30的检波输出的同步检测。狄基开关辐射计是由R.H.Dicke首先在1946年7月的“The Review of Scientific Instruments”的卷17第7期中的“微波频率上热辐射测量”一文中说明的，此文从而作为本文的参考文献。可以用模拟或数字信号处理器实现同步电路。
如上所述，公开一种独特的和简单的实现用于辐射测量成象的同步及总功率直接检测接收机，这种接收机适宜于集成在一个单块的微波集成电路(MMIC)里。如上面所讨论的那样，可用HEMT二极管实现二极管30，从而为单块集成接收机提供加工处理的相容性。在BSLNA 22之前设置低噪声放大器21减小了耦合器们的损耗对系统噪声的影响并且改善了接收机的温度灵敏性。
很明显，根据上述原理对本发明的许多修改和改变是可能的。从而，应该理解，在附属权利要求书的范围之内可以以其它不同于上面具体说明的方式实施本发明。

Claims (14)

1.一种有于无源辐射测量成象系统的直接检测接收机，该接收机包括：
一个输入端口，适用于接收微波或毫米波输入信号；
一个和所述输入端口耦合的前端低噪声放大器；
切换所述前端放大器的输出信号及基准信号的开关装置，以调制所述输入信号并且生成射频(RF)信号；以及
一个检波器，用于生成作为输入信号的函数的输出电压。
2.如权利要求1所述的直接检测接收机，其中所述前端放大器、开关装置和检波器在加工处理上是单块集成相容的。
3.如权利要求1所述的直接检测接收机，其中所述检波器是高电子迁移率晶体管(HEMT)二极管。
4.如权利要求1所述的直接检测接收机，其中所述开关装置包括开关放大器电路。
5.如权利要求4所述的直接检测接收机，其中所述开关放大器电路包括一个或多个预先确定的耦合装置、一个或多个移相器以及一个或多个低噪声放大器。
6.如权利要求5所述的直接检测接收机，其中所述预先确定的耦合装置是混合耦合器。
7.如权利要求5所述的直接检测接收机，其中所述预先确定的耦合装置是Lange耦合器。
8.一种开关放大器电路，包括：
一个输入端口；
第一耦合装置，它和所述输入端口耦合并且形成两条输入通路，每条输入通路各包括一个移相器；
第二耦合装置，它和所述移相装置耦合，所述移相装置适用于接收用于同步所述移相装置的时钟信号；
一个或多个缓冲放大器；
第三耦合装置，所述一个或多个缓冲放大器耦合在所述第二耦合装置和所述第三耦合装置之间，所述第三耦合装置形成两条输出通路，每条输出通路各包括一个或多个缓冲放大器；以及
第四耦合装置，用于把所述输出通路耦合到一个输出端口。
9.如权利要求8所述的开关放大器电路，其中所述第一、第二、第三和第四耦合装置是混合耦合装置。
10.如权利要求8所述的开关放大器电路，其中所述第一、第二、第三和第四耦合装置是Lange耦合装置。
11.如权利要求8所述的开关放大器电路，还在所述第一耦合装置的前面包括一个前端放大器。
12.如权利要求11所述的开关放大器电路，还包括一个二极管，其和所述输出端口耦合以构成一个直接检测接收机。
13.如权利要求12所述的开关放大器电路，其中所述二极管构成为一个HEMT二极管。
14.如权利要求12所述的开关放大器电路，其中所述开关放大器电路、所述二极管和所述前端放大器对单块集成的加工处理是相容的。
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