一種應用于大功率導引頭的小型化接收前端

馬 韜

(西南電子技術研究所，四川 成都 610036)

0 引言

近年來，毫米波機掃大功率導引頭得到了快速發展，它的應用不僅可以有效增加導彈的作用距離、反隱身作戰能力以及抗干擾能力，減小導引頭盲區距離，而且相較于相掃導引頭成本更低，具有顯著的軍事效益[1-2]。

毫米波低噪聲接收前端作為導引頭接收機的關鍵電路，主要功能是將來自天線的微弱信號進行小信號放大，它的噪聲系數直接影響了整個接收系統的噪聲系數和靈敏度，所以一般具有很低的噪聲系數[3]。其核心器件低噪聲放大器(通常為BJT類或MESFET類晶體管)能夠承受的輸入功率值通常較小，一般為mW量級[4]。在毫米波大功率導引頭中，發射機所發射的信號的峰值功率可能超過百瓦量級，而發射機和接收機通過環形器共用天線，因此大功率發射信號會通過天線反射泄露到接收機中，燒毀低噪聲放大器。同時，接收前端的動態范圍直接影響系統的抗干擾能力及盲區距離。所以在毫米波大功率導引頭中，接收前端不僅需要具備很低的噪聲系數，而且需要提高抗功率燒毀能力以及增大動態范圍。

為了解決毫米波機掃大功率導引頭的上述難題，本文提出并實現了一種新型的毫米波小型化接收前端。該型接收前端采用毫米波多路限幅低噪聲放大器功率合成技術[5]以及一體化多芯片集成技術，具備抗大功率燒毀、大動態范圍和低噪聲等優異的射頻性能，同時兼具結構緊湊、體積小的特點，能夠很好地滿足現有毫米波機掃大功率導引頭的使用需求，并突破該類導引頭的發展瓶頸。

1 工作原理及設計

1.1 傳統方案介紹

導引頭低噪聲接收前端要實現抗大功率燒毀和大動態范圍非常困難。為了保護低噪聲接收前端，傳統方案是在接收通道前端增加能耐受大功率的器件實現抗大功率燒毀功能，這些器件包括放電管、鐵氧體開關、限幅組件以及射頻開關芯片，每種方案的優缺點如下：

① 放電管和鐵氧體開關具有插損小、耐功率大特點，可以實現接收前端抗大功率燒毀，但因為體積重量太大而不能滿足彈上設備輕小型化要求[6-8]。

② 限幅組件耐受功率很大，但具有插損大、體積大等缺點，不能保證接收前端的低噪聲以及輕小型化。

③ 射頻開關芯片是目前收發前端應用最多的一種保護電路，具有插損小、體積小的特點，但是耐受功率不夠大，目前芯片廠商最高水平在2 W左右，遠小于系統大功率發射機泄露功率。而且該方案還具有控制時序復雜、接收機恢復時間長等缺點。

綜上所述，傳統方案不能解決毫米波機掃大功率導引頭的抗功率燒毀、大動態范圍以及低噪聲等難題。

1.2 基本工作原理

基于毫米波多路限幅低噪聲放大器功率合成技術的接收前端原理框圖如圖1所示，它主要由八路功分器、限幅器芯片[9-10]、低噪聲放大器芯片和八路合成器組成。

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

當高功率射頻輸入信號進入接收前端，首先通過功分器進行8路功分，功分為8路射頻信號，每路信號功率降低為射頻輸入信號的1/8，每路射頻信號再通過限幅器限幅，將每路信號功率限制在mW級，再經與限幅器芯片串聯的低噪聲放大器芯片放大送入八路合成器[11-12]，將這8路信號進行功率合成，合成輸出為1路射頻信號。

從工作原理可以看出，通過毫米波多路限幅低噪聲放大器功率合成技術可以大幅降低每一路限幅器芯片的輸入信號功率，從而大幅提高接收前端的抗燒毀功率指標，比常規單路限幅或開關芯片方案的抗功率燒毀指標提高9 dB。通過毫米波多路限幅低噪聲放大器功率合成技術可以大幅提高合成輸出信號1 dB壓縮點，當接收機噪聲系數一定時，動態范圍指標比常規方案提高9 dB。另外，毫米波多路限幅低噪聲放大器功率合成技術省去射頻保護開關，完全避免因時序出錯而燒毀接收機的情況，同時，接收機可以保持持續的工作狀態，大幅縮短接收機的恢復時間。

該項目中接收前端使用了8路限幅低噪聲放大器功率合成技術，其中功分合成路數可以根據抗功率燒毀指標和動態范圍指標進行調節，接收前端功分路數N取式(1)中N1和式(2)中N2二者最大值。

接收前端抗功率燒毀指標為：

P燒毀=P限幅×N1，

(1)

式中，N1為根據抗功率燒毀指標確定的功分合成路數；P燒毀為接收前端抗功率燒毀指標；P限幅為單只限幅器芯片能承受的最大射頻輸入信號功率。

動態范圍指標為：

(2)

式中，N2為根據動態范圍指標確定的功分路數；DR-1為接收機動態范圍；P-1為單只低噪聲放大器芯片輸入1 dB壓縮點；Pmin為接收機能檢測的最小信號功率。

1.3 關鍵電路設計以及關鍵指標計算

1.3.1 八路功分器

八路功分器是技術難點，它的性能直接關系到抗燒毀功率、噪聲系數以及動態范圍等關鍵指標。首先，必須要保證每一路的插損以及相位一致，不然會導致每一路的輸出功率不同，其中功率較大的支路可能會燒毀后面的限幅器芯片，這就直接影響系統的抗燒毀功率指標；其次，還要保證每一路的插損盡量小，因為它處于接收機的最前端，插損大小直接影響系統的噪聲系數；最后，需要保證每路功分均等，因為8路均等功分能使系統的動態范圍提高9 dB，如果出現不均等情況，功率較大支路上的低噪聲放大器會提前飽和，影響系統動態范圍。

通常情況下，功分器主要有微帶和波導2種形式，波導功分比微帶功分的體積更大，為了前端小型化目的優先考慮微帶功分器[13]。為了減小插損，選擇了星形功分的結構形式，在經過大量的仿真實驗后，最終設計出性能優異的低損耗八路微帶功分器[14-15]，設計版圖如圖2所示，最大插損為0.268 dB，最小插損為0.041 dB，輸入駐波低于1.100。

圖2 八路功分器設計版圖Fig.2 Eight-way power divider layout design

1.3.2 抗燒毀功率計算

采用微帶功分器，最大插損為0.268 dB，最小插損為0.041 dB，如果輸入功率按40 W(46 dBm)計算，功分器的8路輸出中，最大輸出功率為4.954 W，最小輸出功率為4.722 W，都不會超過限幅芯片的最大承受功率6.7 W。同時限幅芯片的限幅輸出功率為17 dBm，低于低噪聲放大器的最大承受功率18 dBm，低噪放也不會燒毀。因此，該限幅組件完全能承受40 W(46 dBm)的輸入功率。

1.3.3 噪聲系數計算

接收前端噪聲系數如表1所示，接收前端噪聲系數為3.3 dB。

表1 接收前端噪聲系數

Tab.1 Receiver front-end noise coefficient calculation

由表1可以看出，該小型化毫米波大功率低噪聲接收前端能夠同時實現抗大功率燒毀、低噪聲接收和大動態等關鍵指標。

2 測試結果

基于毫米波多路限幅低噪聲放大器功率合成技術的接收前端驗證件實物如圖3所示。該實物前端同時采用一體化多芯片集成技術，具有結構緊湊、體積小的特點，主要指標測試結果如下：抗燒毀功率指標為48 dBm，噪聲系數指標為3.4 dB，輸入P-1指標為-2.5 dBm，尺寸60 mm×13 mm×5 mm，重量20 g。

圖3 接收前端驗證件實物Fig.3 Verification product of receiver front-end

目前國內公布的同類型產品中，抗燒毀功率指標最大在33 dBm左右，輸入P-1最大在-11 dB左右，本設計與之對比分別有了15，9 dB的提高，優勢明顯。噪聲系數指標達到同類型設計較高水平。同時，該接收前端尺寸重量不到同類型接收機前端的1/2甚至1/3，具備小型化優勢，適用于彈載平臺。

3 結束語

基于毫米波多路限幅低噪聲放大器功率合成技術以及一體化多芯片集成技術實現小型化毫米波低噪聲接收前端，抗燒毀功率、動態范圍及尺寸重量等指標較同類型產品具有明顯優勢，能夠解決當下毫米波大功率導引頭接收機易燒毀等難題，同時具有接收機恢復時間短、工作穩定可靠等優點。

該接收前端及相關技術突破可以有效增加導彈的作用距離、反隱身作戰能力以及抗干擾能力，減小盲區距離，提高系統工作可靠性，具有顯著應用價值。今后在功分器和合成器等方面進一步探索，提高功分、合成路數，從而提高接收前端的抗燒毀功率和動態范圍，以滿足毫米波機掃大功率導引頭的快速發展需要。