一种应用于大功率导引头的小型化接收前端

2020-05-18马韬

无线电工程 2020年6期

马韬

(西南电子技术研究所，四川成都 610036)

0 引言

近年来，毫米波机扫大功率导引头得到了快速发展，它的应用不仅可以有效增加导弹的作用距离、反隐身作战能力以及抗干扰能力，减小导引头盲区距离，而且相较于相扫导引头成本更低，具有显著的军事效益[1-2]。

毫米波低噪声接收前端作为导引头接收机的关键电路，主要功能是将来自天线的微弱信号进行小信号放大，它的噪声系数直接影响了整个接收系统的噪声系数和灵敏度，所以一般具有很低的噪声系数[3]。其核心器件低噪声放大器(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mW量级[4]。在毫米波大功率导引头中，发射机所发射的信号的峰值功率可能超过百瓦量级，而发射机和接收机通过环形器共用天线，因此大功率发射信号会通过天线反射泄露到接收机中，烧毁低噪声放大器。同时，接收前端的动态范围直接影响系统的抗干扰能力及盲区距离。所以在毫米波大功率导引头中，接收前端不仅需要具备很低的噪声系数，而且需要提高抗功率烧毁能力以及增大动态范围。

为了解决毫米波机扫大功率导引头的上述难题，本文提出并实现了一种新型的毫米波小型化接收前端。该型接收前端采用毫米波多路限幅低噪声放大器功率合成技术[5]以及一体化多芯片集成技术，具备抗大功率烧毁、大动态范围和低噪声等优异的射频性能，同时兼具结构紧凑、体积小的特点，能够很好地满足现有毫米波机扫大功率导引头的使用需求，并突破该类导引头的发展瓶颈。

1 工作原理及设计

1.1 传统方案介绍

导引头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，传统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、限幅组件以及射频开关芯片，每种方案的优缺点如下：

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[6-8]。

② 限幅组件耐受功率很大，但具有插损大、体积大等缺点，不能保证接收前端的低噪声以及轻小型化。

③ 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2 W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。

综上所述，传统方案不能解决毫米波机扫大功率导引头的抗功率烧毁、大动态范围以及低噪声等难题。

1.2 基本工作原理

基于毫米波多路限幅低噪声放大器功率合成技术的接收前端原理框图如图1所示，它主要由八路功分器、限幅器芯片[9-10]、低噪声放大器芯片和八路合成器组成。

图1 接收前端原理框图Fig.1 Principle block diagram of receiver front-end

当高功率射频输入信号进入接收前端，首先通过功分器进行8路功分，功分为8路射频信号，每路信号功率降低为射频输入信号的1/8，每路射频信号再通过限幅器限幅，将每路信号功率限制在mW级，再经与限幅器芯片串联的低噪声放大器芯片放大送入八路合成器[11-12]，将这8路信号进行功率合成，合成输出为1路射频信号。

从工作原理可以看出，通过毫米波多路限幅低噪声放大器功率合成技术可以大幅降低每一路限幅器芯片的输入信号功率，从而大幅提高接收前端的抗烧毁功率指标，比常规单路限幅或开关芯片方案的抗功率烧毁指标提高9 dB。通过毫米波多路限幅低噪声放大器功率合成技术可以大幅提高合成输出信号1 dB压缩点，当接收机噪声系数一定时，动态范围指标比常规方案提高9 dB。另外，毫米波多路限幅低噪声放大器功率合成技术省去射频保护开关，完全避免因时序出错而烧毁接收机的情况，同时，接收机可以保持持续的工作状态，大幅缩短接收机的恢复时间。

该项目中接收前端使用了8路限幅低噪声放大器功率合成技术，其中功分合成路数可以根据抗功率烧毁指标和动态范围指标进行调节，接收前端功分路数N取式(1)中N1和式(2)中N2二者最大值。

接收前端抗功率烧毁指标为：

P烧毁=P限幅×N1，

(1)

式中，N1为根据抗功率烧毁指标确定的功分合成路数；P烧毁为接收前端抗功率烧毁指标；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。

动态范围指标为：

(2)

式中，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输入1 dB压缩点；Pmin为接收机能检测的最小信号功率。

1.3 关键电路设计以及关键指标计算

1.3.1 八路功分器

八路功分器是技术难点，它的性能直接关系到抗烧毁功率、噪声系数以及动态范围等关键指标。首先，必须要保证每一路的插损以及相位一致，不然会导致每一路的输出功率不同，其中功率较大的支路可能会烧毁后面的限幅器芯片，这就直接影响系统的抗烧毁功率指标；其次，还要保证每一路的插损尽量小，因为它处于接收机的最前端，插损大小直接影响系统的噪声系数；最后，需要保证每路功分均等，因为8路均等功分能使系统的动态范围提高9 dB，如果出现不均等情况，功率较大支路上的低噪声放大器会提前饱和，影响系统动态范围。

通常情况下，功分器主要有微带和波导2种形式，波导功分比微带功分的体积更大，为了前端小型化目的优先考虑微带功分器[13]。为了减小插损，选择了星形功分的结构形式，在经过大量的仿真实验后，最终设计出性能优异的低损耗八路微带功分器[14-15]，设计版图如图2所示，最大插损为0.268 dB，最小插损为0.041 dB，输入驻波低于1.100。

图2 八路功分器设计版图Fig.2 Eight-way power divider layout design

1.3.2 抗烧毁功率计算

采用微带功分器，最大插损为0.268 dB，最小插损为0.041 dB，如果输入功率按40 W(46 dBm)计算，功分器的8路输出中，最大输出功率为4.954 W，最小输出功率为4.722 W，都不会超过限幅芯片的最大承受功率6.7 W。同时限幅芯片的限幅输出功率为17 dBm，低于低噪声放大器的最大承受功率18 dBm，低噪放也不会烧毁。因此，该限幅组件完全能承受40 W(46 dBm)的输入功率。

1.3.3 噪声系数计算

接收前端噪声系数如表1所示，接收前端噪声系数为3.3 dB。

表1 接收前端噪声系数

Tab.1 Receiver front-end noise coefficient calculation

由表1可以看出，该小型化毫米波大功率低噪声接收前端能够同时实现抗大功率烧毁、低噪声接收和大动态等关键指标。

2 测试结果

基于毫米波多路限幅低噪声放大器功率合成技术的接收前端验证件实物如图3所示。该实物前端同时采用一体化多芯片集成技术，具有结构紧凑、体积小的特点，主要指标测试结果如下：抗烧毁功率指标为48 dBm，噪声系数指标为3.4 dB，输入P-1指标为-2.5 dBm，尺寸60 mm×13 mm×5 mm，重量20 g。