Ka頻段低噪聲接收前端設計

熊文毅

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

毫米波頻段因為更高的頻率而擁有獨特的優勢:可利用的頻譜資源豐富,可用帶寬達幾吉赫,為高速信息傳輸提供了良好條件;波長短,在同樣的增益要求下,天線口徑和體積更小;窄波束,方向性好,保密性好;借助于成熟發展的MMIC技術,可以更好實現信道的集成化、小型化,更適合于星載使用。因此,毫米波衛星通信已逐漸成為衛星通信的主流。

減少外部和內部噪聲的影響可以提高接收靈敏度,增大天線口徑可以提高天線增益和降低外部噪聲影響。但是當天線尺寸受限時,降低接收系統內部噪聲就成為一個非常關鍵的問題。

就內部噪聲中的熱噪聲而言,影響最大的是接收前端最前級放大器的噪聲性能。隨著高電子遷移率晶體管(HEMT)和電子束平版印制技術(Electron Beam Lithography)的成熟應用,MMIC制造工藝不斷提高,毫米波頻段的MMIC低噪聲放大器的噪聲系數也在不斷降低。采用0.07μm 柵長工藝的MMIC低噪聲放大器,噪聲系數小于1.3 dB(30GHz),但主要為客戶定制產品,無法采購。

本文通過對影響接收前端噪聲系數指標的各項因素進行分析,并針對性地采取優化措施,最終利用商用MMIC低噪聲放大器實現了滿足要求的噪聲系數。研制完成的3套接收前端已交付用戶使用,在近1年的系統聯試中,工作正常。

2 低噪聲接收前端設計

2.1 接收前端電路原理

Ka頻段接收前端對接收到的微弱射頻信號進行放大,再下變頻到C頻段中頻信號后放大輸出。

接收前端主要技術指標見表1。

表1 接收前端主要技術指標Table 1 Technical parameters of receiver front-end

根據多級器件噪聲系數公式[1]可知,第一級低噪聲放大器的噪聲性能將直接影響接收前端的噪聲系數,而前級低噪聲放大器較高的增益可以降低后級電路對總噪聲系數的影響。

依據上述原理,對表1各項指標進行綜合分析,設計接收前端電路見圖1。

圖1 接收前端原理圖Fig.1 Schematic diagram of receiver front-end

2.2 低噪聲電路設計

為了降低接收前端噪聲系數,可采取以下手段:

(1)設計低損耗的波導微帶過渡;

(2)降低低噪聲放大器前的連接損耗;

(3)選用低噪聲系數、高增益的放大器;

(4)降低接收前端工作環境溫度。

降低工作環境溫度可以有效降低器件的噪聲,但冷卻系統尺寸和功耗較大,常用于無嚴格尺寸要求的系統,如深空探測等地面接收站,不適合于本項目。

2.2.1 波導微帶過渡設計

波導微帶過渡位于接收前端的最前級,其傳輸損耗對接收前端的噪聲系數有直接的影響。

如今的波導微帶過渡形式多樣,包含有脊波導過渡、探針過渡、鰭線過渡、同軸過渡等,其特性對比見表2。

表2 波導微帶過渡特性對比Table 2 Comparison of wave guide-to-microstrip

考慮接收前端接口位置、尺寸、可靠性等要求,本方案選擇E面探針形式[2]的波導微帶過渡,微帶基片采用0.127mm厚度的RT/Duroid 5880。過渡的3D模型見圖2。

圖2 波導微帶過渡3D模型Fig.2 3D-model of wave guide-to-microstrip

通過優化探針阻抗變量、短路面尺寸,獲得最低傳輸損耗和最佳回波損耗。在波導進行90°轉彎的反射端面采用了雙臺階形式,提高了傳輸帶寬,同時簡化了結構設計。

圖3為2個波導微帶過渡背靠背測試數據。其中包含了12mm的微帶線,總損耗小于0.7 dB。在Ka頻段,12mm長RT/Duroid 5880微帶線的損耗約有0.2 dB,因此單個波導微帶過渡的損耗小于0.3 dB。

圖3 2個波導微帶過渡測試數據Fig.3 Measurement result of two wave guide-to-microstrips

2.2.2 低噪聲放大器電路分析

由多級器件噪聲系數公式[1]可知,前級低噪聲放大器的噪聲系數決定了接收前端的噪聲系數,而放大器較高的增益可以削弱使后級電路對噪聲系數的影響。因此接收前端包含了兩級低噪放,第一級低噪放按最小噪聲系數進行選擇,第二級低噪放在兼顧噪聲系數的同時,提供足夠的增益,確保后級電路對總體噪聲系數的影響最小。

國外已可生產噪聲系數小于1.3 dB的Ka頻段低噪聲放大器,但僅限于客戶定制。商用貨架產品的噪聲系數主要還是在2 dB左右。國內也僅可生產噪聲系數為2 dB的Ka頻段低噪聲放大器。

通過器件對比,本方案選擇了一款在本方案工作頻段內噪聲系數最低的低噪聲放大器。器件的噪聲系數指標見圖4所示,工作頻段內噪聲系數小于1.8 dB。

圖4 低噪聲放大器噪聲系數指標Fig.4 Noise figure of LNA

為了兼顧增益、駐波等指標,低噪聲放大器芯片的匹配設計都不是最佳噪聲匹配。根據這一特點,微調波導微帶過渡電路,可以得到一定的噪聲系數改善[3,4],但在微調時必須注意駐波的變化。

接收前端工作在Ka頻段,鍵合金絲尺寸,微帶線尺寸所帶來的影響已不能忽略不計了。對不同厚度微帶線和不同鍵合數量金絲(25μm 直徑)進行傳輸損耗仿真。

分析仿真數據可知,提高鍵合金絲數量,降低微帶線高度可以降低傳輸損耗。考慮MMIC低噪聲放大器芯片的厚度為0.1mm,射頻輸入、輸出鍵合區尺寸為0.1mm×0.1mm,本方案采用0.127mm的基片為微帶傳輸線,輸入輸出采用為雙金絲鍵合連接。

2.3 接收增益平坦度分析

影響接收前端增益平坦度的因素主要有幾個方面:器件幅頻特性的影響;器件駐波和級間匹配的影響;器件組裝、連接的影響。

由圖1可知,接收前端的接收放大、變頻通道上,級聯器件多達十幾個,器件帶內幅頻特性級聯累計影響較大。因此在器件選擇時必須注意:選擇帶內平坦的器件;成對選擇帶內幅頻特性反向的器件。在器件環節確保帶內平坦度滿足要求。

射頻濾波器的帶內平坦度至關重要。本方案選擇微帶平行耦合線濾波器,在滿足帶外抑制前提下,對帶內平坦度進行最佳優化。

Ka頻段,信號波長與電路尺寸接近,器件端口回波信號的迭加在極限條件下將導致平坦度惡化甚至自激。可通過衰減器來提高端口駐波較差器件的回波損耗,降低回波信號的迭加惡化影響[5]。

3 接收前端組裝和測試

接收前端電路為雙面布局設計。結構腔體正面為射頻電路,背面為低頻供電、驅動控制電路,正反兩面通過饋電絕緣子連接。

微帶傳輸線直接焊接在局部鍍銀的鋁腔體上。MMIC芯片和微封裝標貼器件采用導電膠直接粘接在腔體和微帶線上。

為了抑制射頻器件的信號輻射所導致的電路自激和雜波泄露現象,本方案設計了波導屏蔽腔對所有的射頻電路進行屏蔽。波導屏蔽腔的尺寸經過仿真優化,對射頻信號呈現波導傳輸截止狀態。

完整的接收前端結構圖如圖5所示。

圖5 接收前端結構圖Fig.5 Structure of receiver front-end

研制完成的3套接收前端的常溫噪聲系數和增益測試數據如圖6所示。圖7為1#接收前端的高低溫條件下的噪聲系數和接收增益測試數據。表3為1#接收前端常溫工作條件下的完整測試指標。

圖6 3套接收前端測試數據Fig.6 Measurement result of 3 receiver front-ends

圖7 1#接收前端的高低溫測試數據Fig.7 Measurement result of No1 receiver front-end under high-low temperature

表3 1#接收前端測試數據Table 3 Measurement of No1 receiver front-end

4 結 論

本文分析了影響接收前端關鍵指標的多種因素,采取相應優化措施并準確設計關鍵電路,在Ka頻段實現了小于2.2 dB的低噪聲系數。優化措施及電路設計同樣適用于其它毫米波頻段的接收前端設計。

[1]甘仲民,張更新,王華力,等.毫米波通信技術與系統[M].北京:電子工業出版社,2003.GAN Zhong-min,ZHANG Geng-xin,WANG Hua-li,et al.Millimeter communication technology and system[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2003.(in Chinese)

[2]Yoke-Choy Leong,Sander Weinreb.Full band wave guideto-microstrip probe transitions[C]//Proceedings of 1999 IEEE International Microwave Symposium Digest.[S.l.]:IEEE,1999:1435-1438.

[3]James J-Sowers,Michael Willis,Thanh Tieu,et al.A space-qualified,hermetically-sealed,Ka-band LNA with 2.0dBnoise figure[C]//Proceedings of 2001 IEEE GaAs IC Symposium on 23rd Annual Technical Digest.[S.l.]:IEEE,2001:156-161.

[4]Dong-Pil Chang,In-Bok Yom,Seung-Pal Lee.Development of a receiver down converter module for Ka-band satellite payload[C]//Proceedings of 2003 IEEE International Conference on Microwave Symposium Digest.[S.l.]:IEEE,2003:1589-1592.

[5]顧其諍.微波集成電路設計[M].北京:人民郵電出版社,1978.GU Qi-zheng.Microwave integrated Circuit Dedign[M].Beijing:People′s Posts and Telecommunications Press,1978.(in Chinese)