W频段机场异物探测雷达收发前端*
2013-09-28裴乃昌
裴乃昌
(中国西南电子技术研究所,成都610036)
1 引言
W频段FMCW雷达由于其波束窄、分辨率高的优点,非常适合近距离对微小目标的探测。W频段FMCW收发前端是W频段异物探测雷达的关键部件之一。受国内基础器件发展缓慢的影响,国内外在W频段收发前端的研究差距较为明显。国外在20世纪90年代初就开展了W频段毫米波收发前端的研究工作[1],目前国外基于CMOS工艺进行了低成本的W频段收发组件的研究工作[2],并基于 W频段FMCW收发前端开展了直升机防撞FMCW雷达、成像雷达等研究工作[3-4]。国内在W频段的毫米波组件研究较少,大部分研究多是基于混频器、倍频器等器件[5-7]。
W频段毫米波信号频率高,波长短,对电路加工、结构加工、组装工艺等多方面提出了苛刻的要求。W频段FMCW收发组件需要解决以下几个问题:
第一,由于功率放大器单片输出功率低,约为100 mW,需要采用功率合成技术实现大功率发射。而采用Ka频段功率合成器扩频至W频段,功率合成器对结构加工精度要求提高,导致电路结构加工无法实现。本文采用T形接头的理论计算公式,对波导合成器进行了电路建模,采用电路分析的方法重新计算波导合成器的电路参数,降低了对结构加工精度的要求;
第二,为了提高收发组件的集成度,不能采用波导滤波器体。软基片电路加工精度低,无法满足微带滤波器的加工要求。本文采用石英薄膜电路加工工艺,实现了微带带通滤波器设计;
第三,由于芯片组装工艺引入的键和金丝在W频段的影响不能忽略,本文采用一种金丝匹配电路设计,实现了接收信道的低噪声放大。
2 W频段FMCW收发前端设计方案
W频段FMCW收发前端工作原理如图1所示。收发前端包括一路激励发射、一路校准发射和两路接收通道。激励发射支路实现对输入激励信号的6次倍频、放大、滤波和功率放大,同时激励发射支路具备自检功能和功率控制功能。由于目前现有器件输出功率水平不能满足项目需求,需要采用功率合成技术提高模块的输出功率。校准支路实现对校准信号的6次倍频滤波。两路接收通道实现对毫米信号的低噪声放大、I/Q混频,接收支路具备幅度检测功能,并根据正常工作状态和校准需要,可关断幅度检测功能。
图1 W频段FMCW收发前端工作原理框图Fig.1 The principle block diagram of W -band FMCW transceiver front-end
3 关键电路设计
3.1 功率合成电路设计
采用波导正交耦合电路与波导双探针电路实现4路功率合成是非常普遍的做法,尤其在Ka频段已经非常成熟。采用Ka频段毫米波波导正交耦合器模型扩频到W频段,在初样设计中发现波导耦合电路的加工精度很高,加工精度要求±0.015 mm,现有加工精度±0.02 mm,无法满足加工要求。通常采用的电磁场仿真工具仿真计算非常缓慢,且不易求解模型的最优解。若能够实现对波导正交耦合器的集中参数电路建模,则可以大大提高电路的仿真计算的速度,更易求解。通过查阅文献,波导T形接头可采用等效电路进行建模,如图2(a)所示。1端口为输入端,2端口为直通端,3端口为耦合端。
图2 波导T形接头三维结构及其等效电路模型Fig.2 The three - dimensional structure and equivalent circuit of waveguide T junction
设直通波导长宽为a×b,耦合波导耦合缝宽w,则T形接头可用如公式(1)表示[8]:
其中,Z0为波导阻抗,λg为波导波长。
波导正交耦合器是多个T形接头连接,波导正交耦合器等效电路可建模如图3所示。再将两个正交耦合器背靠背仿真,计算合成网络的传输损耗。图4和图5中给出了两组仿真数据。在不计算加工公差的境况下,两种合成电路的传输损耗都小于0.6 dB(背靠背仿真)。但是在加工公差为±0.03 mm的情况下,合成电路的传输损耗变化很明显,图4的数据明显不可用,图5数据具有良好的容差特性。通过合理选择耦合缝隙宽度并优化设计,最终实现W频段波导合成电路实测结果,带内插入损耗不大于0.6 dB。
图3 波导正交耦合器电路模型Fig.3 Circuit model of orthogonal coupler waveguide
图4 窄耦合缝宽±0.03 mm公差仿真数据Fig.4 The simulation data of narrow coupling gap width with ±0.03 mm tolerance
图5 宽耦合缝径宽±0.03 mm公差仿真数据Fig.5 The simulation data of wide coupling gap width with ±0.03 mm tolerance
3.2 微带滤波器电路设计
发射信号经过6次倍频后发射,倍频过程中产生的n次谐波,尤其是5次和7次,发射功率比较大,必须采用滤波器进行滤波处理。在W频段常常采用波导滤波器[9]和微带滤波器进行抑制。波导滤波器具有Q值高、传输损耗小的优点,但是其电路形式为波导,无法实现平面的集成设计。采用软基片设计的微带滤波器则存在介质损耗高缺点,软基片Duriod5880的介质损耗角0.6‰,同时软基片加工精度±0.025 mm,也无法满足设计加工精度的需要。
石英薄膜材料具有低的介质损耗角0.015‰,比常用的软基片材料低了一个量级。同时石英薄膜电路的加工精度非常高±0.0025 mm,比软基片的加工工艺高一个量级。采用石英材料设计的微带滤波器具有传输损耗低、加工精度高的优点,采用石英电路设计的微带滤波器电路如图6所示。采用安立的矢量网络分析仪对石英薄膜滤波器进行测试,测试结果如图7所示。扣除波导微带探针和微带传输线的传输损耗,则石英薄膜微带滤波器的带内传输损耗优于1 dB。
图6 石英薄膜滤波器模型Fig.6 The quartz thin - film filter model
图7 石英薄膜滤波器测试结果Fig.7 The test result of quartz thin film filter
3.3 低噪声放大电路设计
低噪声放大器位于接收机的前级,其噪声系数直接决定了接收通道的噪声系数。低噪声放大器芯片键合金丝引入的电感量约为70 fH/0.1mm。假设芯片键合金丝数量为两根,长度为0.15 mm,采用ADS建模仿真可得在Ka频段其引入的插入损耗约小于0.1 dB,而在W频段键合金丝的影响已经不可忽略,如图8所示。采用金丝匹配电路,由于键合金丝引入的为电感量,采用容性匹配电路,通过LC谐振降低引线电感带来的影响。容性匹配电路可采用枝节线和高低阻抗线来实现,金丝匹配电路匹配后仿真结果如图9所示。
图8 键和金丝传输损耗仿真结果Fig.8 The bonding wire transmission loss simulation result
图9 金丝匹配后仿真数据Fig.9 The matched bonding wire transmission loss simulation result
4 测试结果
W频段FMCW收发组件最终实物图如图10所示,其外形尺寸为100 mm×80 mm×25 mm。采用功率计、噪声系数分析仪、频谱分析仪及其扩频设备对收发前端的主要技术指标进行了测试,其主要测试结果为:工作频率为 W频段;发射功率大于360 mW;发射带宽大于1 GHz;接收噪声系数小于5 dB;接收增益大于14 dB;接收带宽大于1 GHz;发射杂散抑制大于60 dBc。
功率合成电路无源测试时其合成效率为87%,发射支路采用4个功率放大器单片合成输出,功率放大器单片输出功率约为110 mW,计算功率合成效率约为82%。合成效率降低的原因是4个功率放大器生产批次不一致,其中一只功率放大器漏极电流偏大,导致4路相位不一致,降低了合成效率。低噪声放大器噪声系数典型值4.5 dB,考虑波导探测针电路等其他的传输损耗,收发前端的噪声系数的理论值与测试结果比较吻合。W频段收发前端已经交付用户使用,并完成了机场异物探测雷达的地面演示验证试验。
图10 W频段FMCW收发前端实物图Fig.10 The physical picture of W -band FMCW transceiver front-end
5 结论
本文提出了波导合成器的集中参数电路建模方式,极大增加了波导合成器仿真优化的灵活性。通过仿真优化设计,实现了W频段波导功率合成电路的高容差设计与开发。改进了W频段微带带通滤波器的电路设计加工手段,提高了W频段收发组件集成度。针对高频段芯片组装工艺的影响,优化设计了金丝匹配电路,最终实现了收发组件的低噪声接收。W频段功率合成电路的传输损耗为0.6 dB,导致其损耗偏大的原因是微带线的传输损耗较大,并且软基片的电路加工工艺公差较大。可采用石英基材替换软基片,以提高电路的加工精度,降低微带线的传输损耗。
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