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2~6GHz通用接收机研究及关键电路的设计与实验.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《2~6GHz通用接收机研究及关键电路的设计与实验pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含分类号UDC注密级学位论文~GHz通用接收机研究及关键电路的设计与实验(题名蝎题名)易惊涛(作者姓名)指导教师姓名竖垂羞教援接昱亟壬科控太堂应都(职符等。

分类号UDC注密级学位论文~GHz通用接收机研究及关键电路的设计与实验(题名蝎题名)易惊涛(作者姓名)指导教师姓名竖垂羞教援接昱亟壬科控太堂应都(职务、职称、学位、单位名称及地址)中请制£学位级别亟专业名称电堕皇系续埝文提交日期.论文答辩日期QQ学位授予单位和日期电壬抖拉太堂答辩委员会主席评阅人年月日注l:注明《国际十进分娄法uDc》的类号。中文摘要中文摘要电子战接收机是电予情报侦察体系中的重要组成部分密集而复杂的现代战争信号环境对电子战接收机提出了更高的要求侦察与反侦察、于扰与反干扰的斗争尖锐激烈传统的接收机正面lI每着严峻的挑战.为在现代战争的电子对抗中赢得先机和掌握主动国内外都投入了大量精力对现有接收机进行技术改造和对新型接收机进行研制其主要类型有瞬时测频接收机、信道化接收机、瞬时测频.超外差综合体制接收机等各种侦察接收机都具有某些能满足现代电磁环境要求的性能但是它们还具有各自的缺点。现行的电子战接收机系统设计的趋势已经不再依靠单一类型的接收机完成总的系统需求而是趋于采用多种接收机每一种按最优选择解决总问题中的一个方面。目前国外应用较多的是数字式瞬时测频接收机引导超外差接收机的综合体制它保存了超外差接收机的选择性好灵敏度高测频精度和分辨力高的优良特性也保存了瞬时测频接收机频率宽开有%截获概率的优点并克服了它们的各自缺点。本项目来源于GIk通用接收机中巧GHz部分笔者在成都赛英科技有限公司进行了射频前端部分的研制。系统采用两次变频结构设计以获褥整机良好的线性度低噪声高增益u浪保证了接收机灵敏度两级自动增益控制单元以满足接收机动态范围需求。本文首先对接收机的的主要技术指标进行了介绍并根据系统需求规划设计方案对方案进行了可行性论证然后对其系统中的关键组成部分SPDT开关、D队、AGc、滤波器进行了理论和设计方法上的分析最后对其各部分进行了实验和测试。关键词:接收机SHyr开关AGC滤波器LNAAbstractEw(日cct删血w妇)reivcr缸avefyimportampartofthecki删如intcnige蛾咖ais蝴sys岫.碰ghcrdcmandis阳ploscdlbrEw取咖盯bcc蛐辩of删ed勰dmpl旺m咖w咖envi咖锄t柚dthebattlcbc细nthc坞衄埝issan锄dthe嘶tc:m幻嘲ai鹳ancc.distllTban柚d删distuIb锄Iccismo锄dmmcrigo帅峪.TktIadjli咖alIciv盯jsfacingbigchall%g嚣.M柚ys掘池havcbe姐他searchi】ngthcfecciverforalglgtimc'andfocIlsiⅡg佃lnst卸taⅡ璐丘equcncymc够u伸mtrcivef’(=ha蚰cllcliv盯、I鹏啪劬。叫sq粥mcyme鹤ufemcntintIgmtcwimsupcrhct盯odyncr嗽iV盯姐dmo佗cachoftho%uldbc印plicd蕾叫s啪eccnainEM蜘Vi咖entblltthcyhavcgot也cirownwcakn淄阳sp哪ively.Thercfore'thcdcsi弘ofEWrcceivefispro酩tocom的"di娩rentkindsofreive塔.王三achpartof矗cauld碍solycflainp.’h髓softhewholcsyst锄acooIdingti忸ownch础“蛹stic.n瞎entIydigital朝pc凼咖lody丑c确画y盯’ssynthe虹髓Ihier鲫chywhichisdim曲cdbydigitali地协nt柚懈自equ栅Icyme翘u砌ncnth勰be钮widely印蛐catinginthis石eld’it肿tonlyinhc施跚pcrk蛔dyncfeiVer'sgoodIcctiVity’highs胁si啪i哆趾d掣ccisi衄butalrV嚣ins岫协璐舶qucncymeasu"mcntreciver’shighinte|聊tPlobability孤dwoidsdisadv柚tagesOfbOthwaysmcntiOncdbef托.nhcsubject锄鹪舶m“GunivefsalroceiV矿.西engduS硫scic麟觚d.I鼬noIogyI埘.undertakctheRFh伽t如dinthjsprojcct.皿c蛐thcfis潞p啷ibleforn嵋巧GHzpans.lcli耻aIjtyofthcfcoeiv盯isachicvcdbytwo舯e坪i伽sof矗equ锄cyinthc锄tfthcsystem.ThelownoiseandhighgainU姐haVeg岫啪tecdtherccciVcr’sse璐itivjt品蛆dtwOlevclsofAGClInithaVe砒tthcrciVcrsdylIamic瑚gcneed.AtfiIst'thel【cyt。chnicalindio鼯ofthcrcceiVeraintfodud缸thjspapcLSeco栅ydesi驴pIop哪alispl柚ncdaordingtothesysIemand山cfe础ilityisjust砸cd.n啦thc蛐alysisinthfy锄d也cdcsi蛐gmethodofthckcypansinthcsystcmsuch勰SPDT酬tclI’IN气AGC卸dncrjsIIicd伽t.舢y’thcfIInclifeach口artistcstcd.Key删r山:Re萱甲盱SPD旧s’ritchAGC瑚et盱U《A.Ⅱ.独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名:扇峙鸯灞日期:.年争月佃日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名:蛳导师签名:号锨日期:一一年妒月r日第一章绪论第一章绪论电子侦察技术是现代战争中必不可少的一种作战手段也是正确实施电子干扰的基础。为在现代战争的电子对抗中赢得先机和掌握主动国内外都投入了大量精力对现有接收机进行技术改造和对新型接收机进行研制其主要类型有瞬时测频接收机、信道化接收机、瞬时测频.超外差综合体制接收机等【l。信道化接收机把频谱化分成很多信道有关的信号可以分别落入不同的接收机信道。用这种方法可以解决连续波或同时出现多个脉冲信号的问题。信道化接收机由多个超外差信道组成灵敏度高而且有接近%的截获概率有很好的选择性和抗干扰能力频率分辨力高尤其是可利用多路滤波器组进行频率分选但其成本较高且很复杂。由于器件的技术水平、系统造价、体积和重量的限制使信道化接收机未得到广泛的发展和应用。微波集成电路、表面声波器件和高速数据处理技术的迅猛发展促进了新型信道化接收机的发展并取得了可喜的成果性能、成本等都有很大改善。如美国G瞪.svlvania公司研制生产的R系列侦察设备R.、R、R、R.、其中在年代末期该公司研制R侦察接收设备在年初投入使用。采用下变频技术将.GIk的全频段内所有信号都变到GIk第一中频此中频输出端是一个复用射频转换多路耦合装置即采用信道化接收体制每一频段的信号都耦合到一个一GIk调谐器当发现信号后此调谐器可锁定信号进行分析而其余调谐器则继续搜索所以整个系统在工作时都有多达部调谐器可同时对信号进行搜索。还有美国wJ公司研制、生产的侦察设备如wJ.、wJ.、wJ.、wJ.、WJ.&、wJ.sEARs及wJ.N等设备的组成基本上都是在前一种设备基础上作某些改进其发展速度相当快。瞬时测频接收机是采用相位白相关技术将信号的频率信息转换成幅度信息而实现测频的。它以体积小、测频快、测频精度高、瞬时频带宽等优点在电子战中得到广泛应用。它能在脉冲前沿就能完成测频工作这对于对付频率捷变以及脉内调制信号雷达是非常重要的。瞬时测频接收机弱点是无法对多个同时到达的信号进行检测当存在连续波照射时无法对其它信号进行检测等。这些弱点一定程度上限制了瞬时测频接收机在密集信号环境中的应用必须加以改善或克服。目前国电子科技大学硕士学位论文外的矾M接收机分个频段来覆盖l一G截获概率l%.美国阿戈公司的wut.、SU(.、越求.等设备以及年初报道自动测频测向系统它是阿戈公司第代产品供舰艇、飞机使用。此系统综合运用晶体视频接收机、瞬时测频和外差接收机并且运用先进的硬件预处理和电子计算机软件处理相结合的设计方案能适应各种复杂、密集信号环境。英国台卡公司研制、生产的cIln嘲B瞬时测频接收机两部接收机覆盖扣GH瑟这可使系统减小复杂性并同时监视多个波段的信号同时采用微处理机和电子计算机可以使接收机适应较为密集的信号环境和进行快速运算、分选能侦收连续波雷达信号灵敏度高.国内已研制出GHz和GHz的砸M接收机。采用单一接收体制的侦察设备在作战使用中存在各种缺点。因此近几年已研制出多种接收机体制组合的雷达对抗侦察设备。目前已大量使用的有、RD及幽灵等设备各接收机体制发挥各自的优点。侦察设备工作频率是宽频带要多部接收机才能覆盖一般要瞬时测频接收机和外差式接收机组合使用从目前看有下列几种方案【l其简要组成见图.。(I)方案一秭方案二(c)方案三图.接收机组合方案图(a)方案采用独立波段接收机组合覆盖所要侦察的全频段如等。这种方案的优点是:灵敏度高各波段同时侦收信号不存在相互串扰但系统复杂、造价贵。图.(b)方案所工作的频段通过上、下变频到公用的IGIk频段如RD系统。其主要特点是整个系统仅需部cm接收机因此技术难度相对小..第一章绪论些系统简单便于今后扩展频段.但引入上、下变频后系统损耗大灵敏度降低而引入P矾开关进行分频段换接又不能同时侦测信号.图.(c)方案采用O.GH的宽带外差式接收机加各频段瞬时测频接收机组合而成如wJ.改进型。在系统工作时一般情况下测频主要由瞬时测频接收机完成在需要对某一信号进行精测时由瞬时测频引导外差式接收机进行分析测量这种组合方案的优缺点是:接收机灵敏度高精测系统仅有部宽带外差式接收机所以组成简单性能价格比高有部瞬时测频接收机覆盖各倍频程可以独立地进行工作:这种方案比方案l简化了多部外差式接收机比方案增加了多部瞬时测频接收机但省掉了技术较难的射频变换装置并克服了相邻通路信号串扰问题。本课题是空中转发接收机的一部分其整机接收频段.M此卜GIk其射频电路是接收机中一个重要的组成部分其参考文献【】对.MH童侦察接收机进行了研究【】对姗zoGIk侦察接收机进行了研究国外也已经有相当多的公司研制出了指标各异的宽带接收机笔者将对其整机系统中巧GHz部分进行分析重点关注于其系统中关键电路的设计与实验。本课题存在的技术难点:)全面分析接收机各个性能指标选择相关器件可靠论证接收机系统方案)宽带sPDT(单刀双掷)开关的设计以及管芯、金丝的粘接工艺)宽带AGc电路实现大动态范围其调试难度大)滤波器的设计与调试如何使仿真的结果与实测结果一致)宽带混频的隔离和泄露)宽带LNA(倍频程)的设计负反馈技术平衡结构这些难点要通过运用软件进行仿真模拟了解其参数变化的趋势在实际系统电路设计中反复精心调试才能得到解决。本项目是在电子科技大学成都赛英科技有限公司进行研制的公司具有先进齐全的高频与微波试验设备同时公司聘请的教授及高级工程师多人均具有丰富的射频电路设计与调试经验。在整个课题的实施过程中作者的主要工作有:)全面分析接收机各项性能指标确定接收机结构搜集元器件和集成电路一电子科技大学硕士学位论文芯片资料进行分析和选择最后论证接收机系统方案的可行性动熟悉各集成电路芯片并完成具体电路的设计、PCB板布局然后精心调试各模块电路对于其实验板充分考虑其测试调试时的方便进行布板。)对实际中选择的模块由于客观原因不能得到或者不能达到指标要求的则由自主研究实验对模块电路的原理进行分析论证国内外各种解决的方法进行比较找出最适合本次项目的方案然后进行仿真、设计、测试。最后对于不能满足其设计指标进行分析找出原因提出改进方法采用模块化的方法进行分块实验主要对巧GHzSPDT开关、射频和中频AGC、信道部分滤波器、巧GHzLNA进行了分析和实验。论文结构安捧:第一章介绍了项目的意义和存在的技术难点以及笔者的主要工作。第二章介绍了接收机的系统设计首先分析了接收机的主要技术指标最后根据要求给出了设计方案并对方案的可行性进行了分析论证。第三章介绍了PN二极管的特性和原理对常用的开关电路结构进行了比较分析最后对弼HzSPDT开关进行了仿真。第四章介绍了AGc电路的原理对AGc模块的关键部分实现方法进行了分析比较最后选定合适方案对RF(娟GHz)和m(MI乜)两级AGC电路进行了设计。第五章余绍了信道部分中心频率分别为.Gfk和西Gfk滤波器的设计主要用ADs工具仿真。第六章介绍了LNA的设计方法对稳定性、匹配电路、宽带放大器设计技术进行了分析最后进行了仿真设计。第七章对各SPDT开关、AoC电路、滤波器等模块进行了实验给出的实际测试结果。..第二章接收机系统设计第二章接收机系统设计.接收机主要技术指标..接收机噪声【q热噪声是由电荷载流子的随机运动引起的对于室温(C)时系统输入端的Hz系统噪声带宽热噪声功率约为.柏Bm。至接收机输入端的噪声功率像其他任何信号一样将被放大或衰减。接收机链路中的每个元器件也会增加噪声。无源器件如滤波器、电缆、和衰减器等都会同时引起噪声功率和相同的衰减。这些无源元件也会产生少量的内部热噪声因此一个无源器件的实际噪声系数略高于该元件的衰减。这种微小的差别在接收机设计中可以忽略不计因为实际噪声系数和损耗的变化量很大。一般无源混频器的噪声系数约大于变频损耗dB。有源器件可呈现损耗或增益作用输入端的信号和噪声功率在向输出端传递时将遭受同样的作用。不过有源器件内部产生的噪声将是实质性的必须加以考虑要求了解每个有源器件的精确噪声系数和增益数据..玉丝。旦(.)一so|摊。弘l批Flog(丘)r。r(^一)NoNF’GNIM譬怎”.箭glglllg‰寞一鼍擀和吒。..(.)(.)()()(.)电子科技大学硕士学位论文蜕.笔I联x留:.带童丘一蕾簟(.)()式.噪声因子、式.噪声系数、式.噪声温度三个方程是对噪声定量的等效表达式。噪声因子是输入信噪比和输出信嗓比的无量纲比值用增益代替信号比后即给出式厶l所示的最终形式。噪声系数是噪声因子的分贝形式以dB为单位。噪声温度是把噪声因子转换成一个产生输出噪声功率的等效输入温度以开氏温度表示。当讨论天线以及接收机和相连电子设备的噪声系数时一般要求用噪声温度。通过取噪声因子的分贝等效值获得输出噪声()的表达式式中输入噪声(Ni)以dBm为单位噪声系数(NF)和增益G以dB为单位。级联噪声因子(fT)可以由各级联元件附加噪声除以该元件前总增益的商之和求出。利用级联噪声因子(fT)结合输出噪声()方程就可确定接收机每一点的噪声电平。噪声因子~般对lHz带宽计算然后针对系统中的最窄的滤波器进行调节。有时当最窄滤波器的后续元件具有较宽的噪声带宽时就必需考虑附加到级联的噪声功率.滤波器将消除其前的所有带外噪声。该滤波器后的较宽频带元件会依据它们的噪声带宽将噪声反加到系统。利用式石方程能够计算这一附加噪声式中下标表示后跟宽带元件(下标)的窄带元件。假如滤波器后有几个宽带元件这个方程可能要重复应用。利用式关系式可以计算镜像噪声式中l盯为镜像频带与所需信号频带的无量纲衰减比是直至镜像发生器(一般为混频器)的系统噪声因予在系统中不用镜像滤波器会产生tt从而使噪声功率增加dB。若用滤波器抑制镜像dB则将使镜像噪声获得实质性的降低。最后利用级联总噪声因子的关系式(.)很容易对带宽和镜像进行修正。..接收机灵敏度噪声系数与灵敏度都是衡量接收机接收和检测微弱信号能力的指标。接收机灵敏度是用来描述一个接收机在多微弱的信号功率(或电平)量级下就能工作(指能检测并解调还原信号)的一项技术指标。灵敏度是一个最小的信号电平当接收到的信号刚刚达到这样的强度时接收机就能正常工作并且产生预期的输出。接收机灵敏度并非是基本量是在给定噪声功率的前提下衡量接收机检测..第二章接收机系统设计信号的能力的参数一般要依赖一些其他的参数才能确定如所接收信号的调制类型、中频带宽(或视频带宽)、信纳比(即检波所需的识别系数)、以及接收机的噪声系数。下式为接收机灵敏度与这些参数之间的简单近似关系式SdBm土NFlogBl(sn硒(其中:S=接收机灵敏度单位dBmNF=接收机噪声系数单位dBB=检波前的中频带宽单位I乜l【钮=信号检波所需的信纳比即岱Ⅳ)/Ⅳ单位dBKm=调制特性的函数与信号调制类型有关单位dB。从式(.)可见若要提高接收机的灵敏度应做到:尽量降低接收机的总噪声系数NF所以通常采用高增益、低噪声高频线性放大器接收机中频放大器采用匹配滤波器并尽量减小中频带宽以得到白噪声背景下输出最大信噪比式中的识别系数‘姐与所要求的检测质量、天线波瓣宽度、扫描速度、雷达PIuP及检测方法等因素均有关系。在保证整机性能的前提下应尽量减小l(sn的数值这就牵涉到一个雷达接收机的正切灵敏度(TsS)的概念。接收机的切线灵敏度(TSs)】是通过示波器上的直观显示来测量的该示波器监视着二极管检波器的输出或接在检波器后的视频放大器的输出。输入必须是一个脉冲信号。在阴极射线管显示器上当在脉冲区间内最小的噪声迹线与脉冲问噪声迹线的顶部正好相切时接收机就处在它的TSS状态此时的输入脉冲信号功率定义为TSS单位dBm。..接收机的线性度fqj/’aPI垆:^‘、i/J|鼍形/、/|//|Id伸HM图玉lOmP“和Pm示意图一电子科技大学硕士学位论文如图.。动态范围的上端受非线性、压缩以及存在干扰信号时产生的交调限制。带内双音输出三次截断点(IP)是元件非线性的一个量度这个特殊的产物很重要。因为它能轻易产生一个靠近有用信号的无用信号且后者不可能用滤波方法消除。根据定义OIp可通过注入两个频率上互相靠近的双音等幅信号(f和f)求出三阶交调产物由nflmf给出式中n珊。因为负频率不是实数。所以它将会产生两个不同的互相靠近又都在带内的三阶产物。画出交调产物的功率将它与Pout一起作射线直至两者相交则可确定Ⅱ有用信号射线斜率为:l而三阶交调产物的射线斜率为:l饱和输出功率(Ps越)是器件产生的最大功率。输出佃压缩点(PI饵)是实际输出响应与它线性响应的延长线在输出功率差dB时的输出功率它由信号在其走向完全饱和途中的压缩引起.一般来说其数值高意味着线性较好性能也较好。不过元件成本也会变高尤其是饱和电平以上约dBm时。这从而限制了射线约柬范围内能够达到的性能。为使其价格合理通常希望减小这些参数。对于大多数元件来说开始假设平方律工作是合理的。在这些条件下lI姗比Psat低约dB鲫比PI西高约lo(B。当输入信号很小时P伽t以l:l斜率增加三阶产物以:的斜率增加这些数值随实际元件性能和特定的负载条件会有很大变化。在为特定应用选择元件时应该尽可能利用实际数据。通过分析接收机元件级连的口PsatPl西和最大有用信号(MsI)能够掌握接收机动态范围上限从而使设计者能选择成本最低同时又满足所要求性能的元件。式用来计算总的输入三阶交调点(皿P)由式.则可确定相应的输出三阶交调点n。上.上且...皿(.)p肇倒P母驵p印毛印抽呃B丑BG总(.)..接收机动态范围无杂散响应动态范围(SFr'R)是接收机常用的技术参数定义是:在系统输入端外加等幅双音信号的情况下接收机输入信号从超过噪声门限dB处到没有产生三阶互调杂散响应点处之间的功率动态范围。而接收机的动态范围(DR)是指接收机能够检测到并解调的输入信号功率(或电平)的变化范围。有多种不同.第二章接收机系统设计的标准和方式来定义接收机动态范围的上下限.通常用最小可检测信号(MDS)来定义接收机动态范围的下限功率(或电平).接收机MDs的定义是:在确定的接收机噪声系数和中频带宽的前提下比等效噪声功率大dB的功率(或电平)值。MDS与接收机的噪声系数和中频带宽有直接关系。计算式为:巴一^肼一一锄ⅣFlog口砌=一d打^Hlog口其中:昱=动态范围下限。单位dBm即MDs最小可检测信号MDs=最小可检测信号单位dBmNF=噪声系数单位dBB=中频带宽单位H故:珊(扭)一圪一^捌()(.)船DR一%(只一Ⅳ一lolog口锄)()可见SFDR正比于三阶截断点Ⅱ'反比于噪声系数NF和中频带宽也就是说噪声系数低中频带宽窄三阶截断点高则接收机无杂散动态范围就大。..镜像抑制镜像抑制为组合频率干扰pfLq岛=fIF之特例:p士lq千时此时得到的频率一个为信号另一个就是镜频其他组合频率干扰干扰同样存在但影响要小得多。抑制镜像干扰的有效方法一是提高选择性二是采用高中频使干扰镜频尽量远离有用信号然后采用二次变频得到所规定中频。..中频抑制顾名思义中频抑制乃是为了抑制中频干扰。中频干扰即指和中频频率相等的射频信号直接进入混频器并从输出端输出。可以将混频器设计成双平衡或环形电路尽量对称以使中频干扰尽量和中频端口隔离一般混频器均给出RF和砸的隔离度这个隔离度一定程度反应中频抑制能力。选择中频时使中频落在频率覆盖范围之外能大幅度提高中频抑制能力。.一电子科技大学硕士学位论文.扣GHz接收机方案..接收机系统的主要技术指标要求接收频率范围:~GH)灵敏度:SdBm系统AfM线性度:IⅡ一dBm噪声系数:NFdB)动态范围:DRdB回无杂散动态范围:sFDR叫BnAGC范围dB)镜像抑制度:dBc铆中频抑制度:dBc)中频频率:Mm中频带宽:姗zMHzⅫ..系统设计方案图巧G}k接收机方案框图..第二章接收机系统设计图.给出本系统的设计方案输入dB固定衰减器由上位机控制SPDT开关以扩展其动态范围系统将~GHz频段分为两段分别预选滤波通过sPDT开关进行切换将滤波后的信号经LNA放大之后在第一次变频之前设计了一级AGc电路拟实现dB动态范围为了实现更宽的动态范围可用两级AGc电路级联以使在混频前将信号尽可能的拉平第一次变频采用高本振方案本振频率范围.一.GIIz输出由滤波器选出.G}k的第一中频这使得镜像与三阶频率落入带外再经过增益模块放大后进行第二次变频之问串入了dB固定衰减器增强隔离第二次变频采用低本振方案本振频率.GIk点频对于不同带宽的中频MHz输出是通过两个sPT开关实现的输出中频再经一级AGC电路实现dB动态范围后作为接收机的输出。..方案论证...镜像与三阶干扰对于面G}k信道部分通过开关分为两段分别滤波一段为}G}k另一段GHz。此信道第一中频选择.GHz采用高本振方案是因为低本振方案的本振频率与信号频率奇次组合很容易落入中频带内而偶次组合是可通过平衡混频器与亚倍频程滤波器而有效的抑制。本振频率范围.一.GHz。镜像考虑:镜像频率IM=叶mb.GH完全在Glk和巧GHz滤波器带外.三阶考虑:对于高本振方案如果要使带内无三阶组合干扰则要求fp厶l/f一为输入信号频率的最高值如果满足缸>(f)/则无五阶组合干扰对于低本振方案只要满足舻f/或者f水f.则无三阶组合干扰满足flF>(f一)/或者f永(Lj/则无五阶组合干扰通常情况之下只需要考虑三阶即可本项目由于Ⅱk.G胁妻m。=GHz故三阶组合干扰落入带外‘...灵敏度、噪声、SFDR、IⅡ用.节所述的公式和概念可对系统的灵敏度、噪声、sFDR、Ⅲ等指标进行分析笔者采用Agligcnt公司的舢卿V.软件的噪声计算器NoiscCalc代入每级器件的指标进行计算其结果如表.所示。..电子科技大学硕士学位论文衰五l系统指标计算结果NoIseCaIc墨苎!也!!!苎}。fi}一!苎丝鲤ISIp'SSISl#I摹乱SISI一l。咿呐蜘{卜{卜卜卜{卜).‘喇H峨mT々fh^TF锄栩H蛐棚.H呦L舟Ht'FM%HzHc.'L一幻目.^TT托西嘶lt'蠢{.d'O删l舟翻墨蕾a神蝴吖”由代OOOOOO口O啦肼m由tOOOOOD口口Sh计^n£B卅盯舯事c删审嘲肿I朋{童堋置相Ⅱ伽o嘲田枷噩z‘.a棚ak叫P口岬蕾mn矗量a舶孔住n打O山“Po‘Bm五宦住孔幢住孔科册d嵴朋晰由^蕊黔蠡躲霭鞲戳鬻一n们n位也o埘n位d晰dG翻由由糠鞠n葛n葛口斟也飘电矗筻n露dlP洲甲蕾棚nn删唯心旺正衢nt’由表.可得:l、系统总的噪声系数NF=.rdB<B满足系统要求信号检波所需的信纳比与l【觚与调制特性的函数l洫折合取dB带宽MH泣时的灵敏度S=..dBm<.dBm满足系统要求)无杂散动态范围SFI)R西.dB>dB满足系统要求输入三阶交调IⅡ'=.dBm基本满足系统要求.啪m输入%l血最小为dBm故DR=P诅IdBMDsdBm七dBmmDgBNF)=.dB>dB满足要求另外AGc可在第一次变频前采用两级级联的AGC电路实现dB动态范围在中频级再实现dB动态范围。.第三章GIkSPD霄开关电路设计第三章GHzSPDT开关电路设计.PlN二极管结构PN二极管是在重掺杂的P层和N层中间加入一宽度较长的本征区I层如图.所示绝对不含杂质的本征半导体是不存在的在实际生产中用高电阻率的P型或N型半导体材料来代替本征半导体。如果中间是低掺杂的P层称为P.石.N管如果中间是低掺杂的N层称为Pr.N管.区材料的类型除了影响PN结耗尽电荷分布外对其电性能并无明显影响实际中后者用得最多一般就称为P烈管。图P掰二极管结构和截面圈.PIN二极管的特性【..直流电压作用下的特性零偏压下在P和I(”层交界面因I层中含有少量的N型杂质故在矿和l(y)层边界形成P.N结P区中多子(空穴)与I层中的多子(电子)相向扩散复合在界面附近产生由I指向P的空间电荷区。由于P区的掺杂浓度远高于I()区掺杂浓度故P区一侧的空间电荷只分布在极薄的界面上其厚度可以忽略而I(r)区的空间电荷层则很厚。在I(y)和矿交界面两侧的掺杂类型相同但浓度相差悬殊N区中多子(电子)单方向扩散进入I(y)区但碍不到复合。因此在I()区一侧只有积累的电子而无空间电荷层而N区一侧电荷层极薄其厚度同样可以忽略内建电场方向自Ⅳ指向I(y)。即PI(r)N管空间电荷层的宽度主要取决于I(y)..电子科技大学硕士学位论文区的电荷层宽度。可见零偏压下的l(y)层可分为两部分一部分是空间电荷层其载流子己耗尽又称耗尽层(厚为、Ⅳ)另一部分则为非耗尽层(厚为D.W)这与普通PN结类似零偏时平衡状态的Pm管无净电流与PN结不同的是由于I(y)层掺杂浓度低所以耗尽层是很宽的即使是非耗尽层.I(y)层载流子浓度也很低因此在零偏压下管子呈现高阻抗。加反偏压(旷接正、P接负)时由于P、旷区掺杂浓度高外电场作用主要体现在I(y)层外建电场与内建电场同向势垒增高l(r)层非耗尽层电子移向Ⅳ区使耗尽层展宽同时P、妒区少子不断注入l(r)层形成少子导电故反向电流很小。如果反偏压增加。直到整个l区都变为耗尽层(即w=D)这时I(r)层中载流子全部扫清称为“穿通状态”对应的反偏压称为穿通电压或扫清电压当反偏电压大于穿通电压后耗尽层进一步扩展但进入载流子浓度很高的P和r区的部分是很窄的可忽略不计。由此可见P矾管在反偏下的阻抗比零偏时更大但在穿通后近似不变。加正偏压时Pr和y矿两个结都是正偏所以耗尽区很窄。P区空穴和蚤r区电子分别向l层注入由于I层本身载流子浓度极低此时靠注入的空穴和电子互相提供复合的载流子。它们边复合边扩散靠直流偏压维持注入形成一个稳定的载流子分布。当载流子寿命很大、扩散长度远大于I层宽度D时空穴与电子在I层近似均匀分布如图.所示。并满足电中性条件所以空穴密度p近似与电子浓度n相等并且远大于本征载流子浓度。故在y层中贮存电荷量为:QoQgq融tD一日ttD()式中A为结面积。靠偏置电源不断补充复活掉的空穴和电子形成复合电流L.鱼f(.)并使l层电阻率大大下降蹦管呈现低阻。正向偏压越大注入载流子越多瑞越大厶越高同时I层电阻R』越小。因为I层电导率盯由空穴和电子两种载流子决定所以吩为R.旦。旦.:里:.一旦()’(I哇(印p。弘弓P(pp。)肋(pp.)..第三章二GIksPDT开关电路设计式中一以分别是空穴、电子的迁移率『。。p.yn卜一E黔。g。蠡女。。dp阳n呻O=n吣x)\/‰【x)陋.ZkpPX图P矾管正偏时的稳态载流子分布..直流与微波信号共同作用下的PIN管的阻抗特性由以上的讨论可给出P玳管静态伏安特性如图.所示初看似乎与PN结类同但实际上在微波频率下却有重要区别。艇.~iiv}。像Il图微波信号作用与PⅨ臂的情况图.中信号表示了PN管上加入微波电流幅度远大于直流偏流的情形。由于正向偏置作用原注入贮存电荷Qf.在交流电压负半周反向电压作用使部分载流予从I层“吸出”贮存电荷的减少量为Qr‘咖砌一等()则有:..电子科技大学硕士学位论文盟.g.量晰AQ咙。一(.)可见即使z一厶但只要研一l且足够大。则负半周时I层电荷移出量只占Q的很小部分因此P矾管微波电阻只取决于偏置电流图.中信号和信号的微波电阻相同对于某确定的偏置状态不论加到二极管上的微波信号幅度多大P玳管好比是一个线性电阻其阻值由偏流决定。若在P酣管反偏时再叠加上微波信号即使信号幅度很大致使正半周有部分时间处于正向电压作用下如图中所示但由于在如此短暂时间内正向注入载流子很少两且在I层渡过越但未来得及构成复合电流时就因为交流电压反向而返回并“吸出”。因此P烈管I层形成不了大量载流子的积累而始终维持在由反偏压所决定的高阻抗状态。故Pm二极管是一个电流控制的RF电阻然而这只有在远大于其渡越频率厶才是准确的其中D厶。u弓。谚亏瓦。o击)这里D。是空穴扩散系数瓦为空穴在宽度为w的耗尽层的渡越时间。既使是基片很薄的PⅨ管例如硅材料I层宽度仅.胛时tO.芦而lGm微波信号的半周期才O.坤。因此在微波信号的半周期这样短暂的时间内原来因正偏而贮存的载流子来不及流出去原来因反偏而耗尽的情况也来不及形成载流子贮存P小管在微波信号下的电阻特性只决定于I区中存在的电荷因此P琳管被称为“电荷控制器件”。综上所述P玳管的微波阻抗主要取决于直流偏置的极性和大小而与交流信号的幅度几乎无关。反偏时P矾管呈现高阻抗近似为开路状态正偏达到一定偏流时P玳管呈现低阻抗近似为短路状态可用来构成微波开关电路.而且可以利用小功率(直流)来控制大功率(交流)这是P玳管作为控制元件的一大优点。.PIN二极管等效模型..正偏等效模型由上一节分析得正偏等效电路如图喇所示图中lLs为重掺杂的P、Ⅳ层体电阻和欧姆接触电阻llj为I层电阻q为由I层注入载流子的电荷贮存效应引.第三章拍G}IzsPD呵开关电路设计起的扩散电容当正偏压加大IIj迅速减少在满足yncR时c可以忽略其简化等效电路如图(b)所示在大偏流的情况之下llj很小此时P小管正向电阻Rf趋于&许多生产厂家给出的正偏电阻也就是Rf。l由一^cj牛审RJUIR.RsRX{='卜一《dlRfIRX{】{}一(e)图.P科管正、反偏等效电路..反偏等效模型反偏时P玳管等效电路如图(c)所示。零偏及反偏(I层未穿通)压下I层有耗尽层与非耗尽层之分其中耗尽层等效为电阻Rj与电容q的并联非耗尽层等效为电阻Ri与电容Q的并联耗尽层电阻Ri很大可以忽略故而等效电路由图.(c)简化为(d)。通过计算q、Q、&以及耗尽层宽度可以导出图叫d)中R和X为n揣omx志p南(.)式中:D为I层宽度A为I层截面积w为耗尽层宽度在穿通前w随偏压改变p为未耗尽区电阻率F为半导体材料介电常数。当穿通后w=D则R=并且有:z。竺。一上(.)雠nC如即穿通后等效电路如图(c)所示。这里c扣是I层全部耗尽时的结电容。..电子科技大学硕士学位论文..开关速度模型网开关电路的速度取决于驱动电路和PⅨ二极管本身。P烈二极管从低阻转换到高阻状态是通过把偏流从正向偏置转换到反向偏置的办法来实现的在反向偏置条件下电流将一直流动到二极管电荷被耗尽为止。开关时间可定义为把正向偏置下贮存的电荷(除去i区内复合电荷后的余量)消除所需的时间。开关时间即反向恢复时间包括两个部分:一部分是消除来自I区的大部分电荷所需的时间(称为延迟时间h)如图.所示另一部分是二极管从低阻抗转换到高阻抗状态所需时间(称为渡越时间k)。h与f(电荷载流子寿命)有关由下式决定:(.)图延迟时间h示意图Ik与二极管的几何结构和掺杂分布有关主要取决于I区宽度w表.给出了典型数据:表.典型渡越时间与l区宽度数据表I.WidthbmA£硼bmAmTbmAfo吼朋lOVlvV伽}vlOyⅣ舢sn泌.筇舶心z心.心l"廊腰.odO.d.d.心O.心o.d.^d。do.#do.廊由以上的分析可见选载流子寿命短的二极管其延迟时间短即开关速度快但缺点是正向偏置电阻大插入损耗高当选定P玳管之后增加k可减少延迟时间提高开关速度。HHFR、.Etl净m『I%第三章躺GlkSPDT开关电路设计.PIN二极管参数及选择方法..P瑚二极管的主要参数正向偏置时的I区电阻鼬:在给定正向偏置电流下P玳二极管的等效微波电阻。P酣二极管正向偏置时微波电阻随偏置电流增加而减小.一般手册中给出lIlA或嘶迭偏置时的微波等效电阻值。反向偏置时的I区电容ci在近似穿通条件下P矾二极管的结电容。开关截止频率岛:当P玳二极管用作开关时电容越小反向偏置状态下所呈现的“开路”就越好电阻Ri和Rr愈小耗散损耗就愈小。因而在正向偏置状态下二极管也就类似于“短路”。传统上用一个称作开关截止频率厶的频率参数来表示开关二极管它由两种阻抗状态下的串联电阻和高阻抗状态下的串联电容来确定。小布o。D其开关截止频率并非表示一个特定器件可以用来设计一个频率高达k的开关电路。事实上P烈二极管典型地用于约/lO睢l开关截止频率的范围。还可以证明开关电路和移相器电路中的损耗正比于开关截止频率与工作频率之比。反向击穿电压VR:P玳二极管所能承受的最高反向电压。有些手册中给出总反向电流小于lA时所加的反向偏压此偏压一般小于反向击穿电压。热阻ncta:在理想条件下PⅨ二极管消耗单位微波功率所引起的结温增加值。热阻的单位为/W。载流子寿命Iz指I区载流子的平均寿命。假定载流予复合过程是随机的其寿命即为I区载流子浓度下降到c所经历的时间。反向恢复时间:延迟时问风渡越时间|盯..开关电路应用中P矾二极管的选择【qP玳二极管的选择主要考虑两个方面:二极管的开关特性和封装形式。P矾二极管的开关特性是主要用前面的参数来加以描述对于正偏电阻Rs.电子科技大学硕士学位论文反偏结电容G都是越小越好因为这会直接影响到开关的插入损耗选择时要注意其生产厂家给出的正偏电流反偏电压和频率等测试条件这里谈谈I区宽度和横截面积A的影响。I区宽度宽则反向击穿电压VR高这对于用作大功率开关是十分有利的但I区宽度大也使得渡越时间长偏置电压切换时二极管的阻抗变化较慢开关时间就越长。同时I区宽度大一般也要求偏置电流大、偏置电压高。I区面积增大时导通时的电阻减小导通时PⅨ管自身消耗的功率较小导通功率容量加大.但是开关从导通状态到关断状态的时间也大大增加I区面积越大结电容越大也自然而然地限制了射频电路的带宽面积增大的另一个不币j后果是二极管的截止频率降低。圈常见P矾管封装图给出常见PⅨ的封装形式对于表面封装的结构(PIastic、哦HiPAX、s【瓜MOuNT)其使用方便安装容易价格便宜但是其寄生参量对电路影响较大很难用于高频段。对于直接使用管芯(Cc衄achip、Fnp例p)几乎没有分布参数能最大限度的发挥器件本身特性以提高开关速度价格便宜但需要在微带上打孔镶嵌采用梁式引线结构(Beamkad)P矾二极管的两个电极经电镀加厚处理并研磨腐蚀掉引线下面的半导体衬底此种结构的二极管没有外壳没有焊接点仅在半导体结上涂覆保护层所以引线电感分布电容极小能工作至毫米波段这种结构的PⅣ管较适用于微带、鳍线一类电路中它对提高工作频率十分有效但其功率容量受到限制同时价格也较高所以说频率较低时如果开关速度是主要的应该选择表面封装的结构而频率较高(<GH生)时管芯可以提高开关速度如果频率更高(>G}k)则应选择梁式引线结构同时使用上贝I』更为方便。各种封装的最佳适应频率范围及性价比参见MAM公司的推荐如表.所示。..第三章撕GIkSPDT开关电路设计表P科开关封装选择衰\爿SumMoum^mblyChlp^WIrHybr^mbIy多\袭Pltic蛾LFor文腕啪哪钿nBchipFlipcIlipBmLead露\Hi吣l删z<F<lGHz最佳Ⅲb<Ⅳ删z最佳GHz<P<岛Iz最佳GHz<F<印伽z最佳最佳唧z(F<涮z最佳Pi眦<O.最佳.<Pinc<l最佳最佳l<Pinc<佣最佳明(Pinc(蝴最佳最佳价格最低最高中等最低中等最高综合考虑之后采用了MAcIoM公司的P琳二极管管芯MAP.其参数如表所示.表.舭^kt朋hJVhil酊C誊Ⅲt删ll口胁oS幽C日一EnJ钉妇^撕凸争肿眦Z啦肌^一h‘舶f踟置啊血l拥Ccl谨lCd妇玎诚hO尊埘矿Ⅻ州恤死瓤厶阴掣矗她们甜nⅢ旧施l如“r’筘JI.矗rl埘J“W自删细瑚鲫f班J删M^P.mjIl卫‘载流子寿命:测试条件在IF=mAkw=瑚A反向恢复时间:测试条件在耻n哦lREv暑mA反向电压:测试条件在总的反向泄漏电流序‘l“圈为MAP.的封装图图P矾管MAP.封装图..电子科技大学硕士学位论文.开关的主要技术指标lll】.插入损耗和隔离度一个理想的开关在断开时哀减无限大导通时哀减为零。由于P玳管的阻抗既不能减小到零也不能增大至无限大所以实际的开关在断开时哀减不是无限大导通时也不是零一般只能要求两者的比值应尽量大开关的导通衷减称为插入损耗断开时的哀减称为隔离插入损耗和隔离是衡量开关质量优劣的基本指标。插入损耗定义为信号源产生的最大资用功率PA与开关导通时负载获得的实际功率P之比即IbP^/Pm。若开关在关断时负载土的实际功率为P也则上式表示开关的隔离度。将上式写成分贝数的形式为:尼lo配%)(.)对于理想开关导通时负载上功率PLD应与PA相等即Ⅱ卸插入损耗为反之在开关关断时负载功率PLD应为OⅡ一即隔离度无穷大.根据网络散射参量的定义有pq%只(.)(.).开关速率开关从断开状态到导通状态之间的转换速率有好几个不同的指标术语可用图.来说明。微波开关通常用一个脉冲信号来控制如图.(a)受控产生的微波脉冲包络如图.(b)开关接通时间定义为微波输出脉冲(或上升瞬变电压)前沿从峰值的%上升到%的时间间隔。接通延时定义为控制脉冲前沿达到%峰值的瞬间与微波脉冲包络达到%峰值瞬间两者之闻的间隔。“开关断开时间”和“断开延时”定义类似见图中的标注。通常情况下断开时间大于接通时间。..第三章二GHzSPDT开关电路设计懈//。《l'I断开延时.}通噩时.Fh一开关接通时问开关断开时闻图开关速率示意图.功率容量当P矾二极管导通时微波开关的功率容量主要受限于P烈管的功耗当P玳管截止时功率容量的限制因素是反向击穿电压。开关的功率容量是指开关所能承受的最大微波功率它不仅与管子的功率容量有关还与开关电路的类型(串联或并联)、工作状态(连续波或脉冲)、具体结构以及散

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