颜友明
广东鼎华科技股份有限公司 广东佛山 528000
摘要：随着电子与通信技术的迅速发展,系统工作频率不断向毫米波高端推进,W波段接收前端关键技术及应用课题已成为国内外专家、学者的研究热点。对此，文章对毫米波接收前端的理论和设计进行了研究，提出一种W 波段接收前端的设计。
关键词：W波段；接收前端；探针装配；信号源
毫米波在通讯、安防、遥感、射电天文、超导、受控热核反应、物质结构研究以及医学领域和军事领域的应用等日益广泛。在毫米波电路与系统中,W波段作为重要的窗口频段,对系统的性能起着至关重要的作用。鉴于毫米波技术日渐深入地应用,对毫米波关键技术的研究就显得越加迫切。
1. W波段直接检波式接收前端结构介绍
近年来随着安全问题成为世界各国关注的焦点，被动毫米波成像系统在安检领域得到了广泛使用，直接检波式接收前端就是其核心部件。W波段直接检波式接收前端由W波段波导- 微带转换探针、低噪声放大器、检波器和视频放大电路组成。由于其没有混频器和本振，能耗小，重量轻，易于实现集成化，并且接收前端在最前端就使用低噪声高增益的放大器，其噪声较低，性能较好[1]。其结构如图1 所示：
图1 接收前端结构图
接收前端将天线接收到的辐射信号以及天线自身的热噪声送到低噪声放大器,低噪声放大器将输入信号进行放大以便后级的功率检波器进行检波。功率检波器是一个平方律器件, 它的输出电压与输入功率成正比。检波后的低频信号再进行积分、视频放大，积分器实际上是一个低通滤波器，它用来对检波电压进行积分，以减少噪声变化，辐射计输出差分电压信息来反映探测物品的特征。
2.波导- 微带探针转换设计
接收前端所接收的信号是天线提供的宽带辐射信号，天线输出端口的连接方式为波导连接，这就要求接收前端的输入接口连接方式也为波导连接，但是接收前端内部信号处理电路为平面电路，这就需要设置波导-微带转换电路[2]。通过HFSS 仿真软件对波导- 微带探针转换电路仿真，如图2 所示。
考虑到探针在装配过程中对容错率的要求，在仿真过程中，对探针装配位置分别沿前后左右方向进行微量移动。
图2 探针仿真图
3.级联高增益低噪放芯片
系统中低噪声放大器的作用是将天线接收到的微弱信号进行放大，降低噪声干扰。低噪声放大器的选择需要满足两个条件，一是必须保证放大器后方的检波器工作在平方率检波区间，二是要保证系统具有较低的的噪声系数[3]。
3.1 系统增益选择
保证检波器工作于平方率范围，这就是要求经低噪声放大后的信号满足检波器输入信号功率的要求。设低噪放增益为GLNA，经低噪放加到检波器的信号功率为PDET，检波器工作于平方率检波区间时输入信号功率最大、最小值分别为PMAX、PMIN，则低噪放增益应满足：
PMIN≤GLNAKTsysBFsys=PDET≤PMAX (1)
根据检波器工作在平方率区间输入信号功率PMAX、PMIN 和接收前端工作的温度范围，此处取PDET=-35dBm，Tsys=300K。K 为玻尔兹曼常数，B=35GHz，则可求出GLNA≈35.5dB。考虑到系统中带线和互联等对信号的损耗，实际选用低噪放的增益应大于计算值2dB-5dB，此处取GLNA=40dB。单个低噪放不能满足如此高的增益，因此需要两片低噪放进行级联，单片低噪放的增益曲线和噪声曲线如图3所示。
图3低噪放增益曲线和噪声曲线
3.2 系统噪声
对于级联系统，其噪声系数Ftol 可表示为：
(2)
式(2)中,Fi、Gi 分别是每一级放大器的噪声系数和增益， i=1，2，…，由公式可以看出，第一级放大器对级联系统的噪声贡献最大。因此，第一级放大器的噪声系数必须足够小，同时输入端口的波导- 微带转换结构的插损需要尽量小，从而减小系统噪声系数，增加系统的温度分辨率[4]。
4.检波器选择及整体电路仿真
毫米波辐射计通常采用的是低势垒肖特基二极管作为平方率检波管，它具有不需要外加偏置电压，检波灵敏度高，频带宽，噪声低等特点。根据需要，我们选取了安捷伦公司的某款高性能检波管设计本接收前端的检波器，其等效电路图如图4所示。在选定低噪放芯片与检波二极管后，输入匹配网络会直接影响检波器的端口驻波比与检波灵敏度，在本文中，我们采用了高低阻抗线作为低通滤波器置于检波管与视频放大电路之间。
6.结束语
总之，在毫米波应用系统中,接收前端部件对系统性能起着关键性的作用。本文完成了W 波段接收前端的设计，并利用HFSS 和ADS 仿真软件进行了设计系统功能实现的测试，结果表明，测试输出频响满足被动成像系统的指标要求，并且由于其外观尺寸较小，能够大规模的集成到被动成像系统中，具有很大的市场前景，同时能够在一定程度上为今后毫米波接收前端技术领域的研究提供相关经验。
参考文献：
[1]李毅响. 毫米波集成接收前端[D]. 电子科技大学, 2013.
[2]张巍. W波段高性能检波电路研制[D]. 东南大学, 2015.
[3]罗梦佳. W波段平面化无源电路的设计[D]. 北京理工大学, 2015.
[4]赵婧. 3mm波段接收前端设计[D]. 电子科技大学, 2014.
论文作者:颜友明
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/10/22
标签：检波器论文; 毫米波论文; 噪声论文; 波段论文; 波导论文; 系统论文; 放大器论文; 《防护工程》2018年第12期论文;