一种雷达接收系统及其限幅开关放大器 |
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| 申请号 | CN202111312798.X | 申请日 | 2021-11-08 | 公开(公告)号 | CN114039567A | 公开(公告)日 | 2022-02-11 |
| 申请人 | 成都亚光电子股份有限公司; | 发明人 | 蒋孙冬; 王昊; 蒋升运; | ||||
| 摘要 | 本 申请 公开了一种 限幅 开关 放大器 ，包括：驱动 电路 ，放大电路，以及限幅开关电路，限幅开关电路包括：第一端用于接收 信号 输入，第二端分别与第一PIN 二极管 的 阳极 ，第二PIN二极管的阳极以及第二电容的第一端连接的第一电容； 阴极 接地的第一和第二PIN二极管；第二端与放大电路的输入端连接的第二电容；驱动电路的输入端与控制电路连接，输出端与第二电容的第一端连接，用于根据控制电路的输出控制限幅开关电路的开关状态；第一PIN二极管的I层厚度高于第二PIN二极管的I层厚度。应用本申请的方案，可以有效地使得限幅开关放大器的噪声系数和限幅能 力 达到要求，且实现小型化。本申请还公开了一种雷达接收系统，具有相应效果。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种限幅开关放大器，其特征在于，包括：驱动电路，放大电路，以及限幅开关电路，所述限幅开关电路包括： |
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| 说明书全文 | 一种雷达接收系统及其限幅开关放大器技术领域[0001] 本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种雷达接收系统及其限幅开关放大器。 背景技术[0002] 在各型雷达接收系统中，限幅开关放大器都是其中的关键部件，直接影响雷达抗功率烧毁能力和探测距离。噪声系数和限幅能力是限幅开关放大器的最重要的两个指标，并且二者相互影响。 [0003] 目前的限幅开关放大器件是将限幅器和开关电路分别制作，两者插入损耗较高，无法达到部分要求较高的场合中的指标要求。例如市场上在X波段能承受10W功率的限幅器的插入损耗全频带指标为≤0.6dB，满足衰减量的开关电路的插入损耗≤0.8dB，因此在低噪声放大器之前的总插入损耗为1.4dB，即，限幅器和开关电路的噪声系数贡献为1.4dB，连接放大器之后噪声系数达到2.8dB，无法满足整机的噪声系数指标要求。此外，目前的限幅开关放大器件尺寸也较大，无法实现小型化。 [0004] 综上所述，如何有效地使得限幅开关放大器的噪声系数和限幅能力达到要求，且实现小型化，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。 发明内容[0005] 本发明的目的是提供一种雷达接收系统及其限幅开关放大器，以有效地使得限幅开关放大器的噪声系数和限幅能力达到要求，且实现小型化。 [0006] 为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案： [0007] 一种限幅开关放大器，包括：驱动电路，放大电路，以及限幅开关电路，所述限幅开关电路包括： [0010] 阴极接地的所述第二PIN二极管； [0011] 第二端与放大电路的输入端连接的所述第二电容； [0012] 所述驱动电路的输入端与所述控制电路连接，所述驱动电路的输出端与所述第二电容的第一端连接，用于根据所述控制电路的输出控制所述限幅开关电路的开关状态； [0013] 其中，第一PIN二极管的I层厚度高于所述第二PIN二极管的I层厚度。 [0014] 优选的，还包括： [0015] 阴极与所述第二电容的第一端连接，阳极接地的第三二极管。 [0016] 优选的，述第三二极管为肖特基二极管。 [0017] 优选的，所述驱动电路包括： [0018] 第一端与所述第二电容的第一端连接，第二端分别与第三电容的第一端和第四二极管的阴极连接的第一电感； [0019] 第二端接地的所述第三电容； [0020] 阳极与所述控制电路连接的所述第四二极管。 [0021] 优选的，还包括： [0022] 第一端与所述控制电路连接，第二端与所述第四二极管的阳极连接的第一电阻； [0023] 第一端与所述控制电路连接，第二端与所述第四二极管的阳极连接的第四电容。 [0024] 优选的，所述放大电路为低噪声放大电路。 [0025] 优选的，所述第一PIN二极管与所述第二PIN二极管的间距为λ/4，λ表示的是所述限幅开关放大器用于接收的信号波长。 [0026] 优选的，还包括： [0027] 阳极与所述第二PIN二极管的阳极连接，阴极接地的第三PIN二极管；其中，所述第二PIN二极管的I层厚度高于所述第三PIN二极管的I层厚度。 [0028] 一种雷达接收系统，包括上述任一项所述的限幅开关放大器。 [0029] 优选的，所述雷达接收系统为用于接收X波段的信号的雷达接收系统。 [0030] 应用本发明实施例所提供的技术方案，通过限幅开关电路中设置了第一PIN二极管和第二PIN二极管，第一PIN二极管的I层厚度高于第二PIN二极管的I层厚度，即第一PIN二极管和第二PIN二极管组成两级限幅电路。PIN二极管具有高电阻率的I层，因此，通过I层厚度较高的第一PIN二极管可以有效地进行限幅，而第二PIN二极管的I层厚度较低，使得第二PIN二极管在进行限幅能力的补充的同时，不会引入太大的插入损耗。因此，在使得限幅开关放大器的限幅能力达到要求的同时，又不会带来过大的噪声系数。此外，本申请的限幅开关电路同时实现了限幅器的功能和开关电路的功能，即实现了限幅器和开关电路的一体化，因此有利于实现小型化。具体的，驱动电路的输出端与第二电容的第一端连接，并且可以根据控制电路的输出控制限幅开关电路的开关状态，即控制限幅开关电路处于插损态或者处于衰减态，实现限幅开关电路的开关功能。综上所述，本申请的方案可以有效地使得限幅开关放大器的噪声系数和限幅能力达到要求，且实现小型化。附图说明 [0031] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0032] 图1为本发明中一种限幅开关放大器的结构示意图； [0033] 图2为本发明一种具体实施方式中的限幅开关放大器的结构示意图。 具体实施方式[0034] 本发明的核心是提供一种限幅开关放大器，可以有效地使得限幅开关放大器的噪声系数和限幅能力达到要求，且实现小型化。 [0035] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0036] 请参考图1，图1为本发明中一种限幅开关放大器的结构示意图，该限幅开关放大器可以包括：驱动电路10，放大电路20，以及限幅开关电路，限幅开关电路包括： [0037] 第一端用于接收信号输入，第二端分别与第一PIN二极管D1的阳极，第二PIN二极管D2的阳极以及第二电容C2的第一端连接的第一电容C1； [0038] 阴极接地的第一PIN二极管D1； [0039] 阴极接地的第二PIN二极管D2； [0040] 第二端与放大电路20的输入端连接的第二电容C2； [0041] 驱动电路10的输入端与控制电路连接，驱动电路10的输出端与第二电容C2的第一端连接，用于根据控制电路的输出控制限幅开关电路的开关状态； [0042] 其中，第一PIN二极管D1的I层厚度高于第二PIN二极管D2的I层厚度。 [0043] 具体的，本申请的限幅开关电路既能够实现限幅的功能，又能够实现开关的功能。在限幅时，后文以承受最大脉冲功率10W的指标为例，可以理解的是，其他场合中可以有其他的限幅要求，可以相适应地调整器件的参数。 [0044] PIN二极管具有当输入很大的微波电流通过时，在I区内受到射频电导率的调制的特点，并且PIN二极管具有高电阻率的I层，不同厚度的I层具有不同的承受功率能力，且I层越厚承受功率能力越强。本申请便通过I层厚度较高的第一PIN二极管D1来实现有效的限幅，第二PIN二极管D2则进行限幅的补充。即本申请选用不同I层厚度的PIN二极管进行梯级组合搭配，组成两级限幅电路。并且，第二PIN二极管D2的I层厚度较小，使得第二PIN二极管D2在进行限幅能力的补充的同时，不会引入太大的噪声系数。 [0045] 在本发明的一种具体实施方式中，第一PIN二极管D1和第二PIN二极管D2的管芯型号分别选取为2K031和2K022。可参阅表一，为2K031和2K022的管芯主要参数。 [0046] 表1： [0047] [0048] [0049] 该种实施方式中，第一PIN二极管D1的最大结电容Cj为0.2pF，最大串联电阻Rs为1.5Ω，I层厚度为3μm。第二PIN二极管D2的最大结电容为0.15pF，最大串联电阻Rs为2Ω，I层厚度为2μm； [0050] 由上述指标可知： [0051] 插入损耗＝10lg∣1+50/2(Rf‑j/ωCj)∣； [0052] 衰减量＝10lg∣1+50/2(Rf+jωLs)∣。其中的Rf＝Rs+Rj，Rs是P+和N+层电阻的和，Rj是I层电阻。ω为射频工作频率，Ls为串联电感大小。 [0053] 据此可以分别计算出第一PIN二极管D1的插入损耗和衰减量，以及第二PIN二极管D2的插入损耗和衰减量。并且可以看出，在选用第一PIN二极管D1和第二PIN二极管D2时，管芯的最大结电容Cj应当较小，即i层电容小。Rf也应当较小，才能达到插入损耗小、衰减量高的要求。 [0054] 虽然I层厚度较小有利于达到插入损耗小、衰减量高的要求，但是结合上文的描述，I层厚度越大时限幅能力越强，因此，本申请的方案中通过I层厚度不同的第一PIN二极管D1和第二PIN二极管D2组成两级限幅电路，有效地使得噪声系数和限幅能力均达到要求。 [0055] 此外，第一电容C1和第二电容C2的具体型号也可以根据需要进行设定和调整，第一电容C1为信号输入端的高频隔直电容，第二电容C2为偏置旁路滤波电容。 [0056] 进一步的，可参阅图2，还可以包括： [0057] 阴极与第二电容C2的第一端连接，阳极接地的第三二极管D3。 [0058] 该种实施方式中，通过设置了第三二极管D3，可以与前面的两级限幅电路组成背靠背的限幅电路结构，可以实现高隔离度，产生对称的削波波形，将射频电压峰值限幅到与二极管结电压大约相等的电平，提高了本申请方案的限幅能力。即该种实施方式中，增加第三二极管D3作为检波二极管，与前面的PIN二极管背对背并联，在大功率输入时可以加快PIN二极管的导通，使输入的微波信号形成较大的反射，从而使得泄露的微波能量被限制在低功率电平下。 [0059] 当然，由于增加了第三二极管D3，因此第三二极管D3也会影响电路的插入损耗，在实际应用中，采用承受最大脉冲功率10W的指标时，第三二极管D3的主要参数为VBR为4V，Ct为0.1pF，经过对电路的实测得知，加上第三二极管D3之后，限幅开关电路的插入损耗最大为0.7dB。在实际应用中，第三二极管D3通常可以选取为肖特基二极管。 [0060] 驱动电路10的输入端与控制电路连接，驱动电路10的输出端与第二电容C2的第一端连接，驱动电路10可以根据控制电路的输出控制限幅开关电路的开关状态，即控制限幅开关电路处于插损态或者处于衰减态，实现限幅开关电路的开关功能。 [0061] 驱动电路10的具体电路构成可以根据需要进行设定和调整，例如在本发明的一种具体实施方式中，驱动电路10可以包括： [0062] 第一端与第二电容C2的第一端连接，第二端分别与第三电容C3的第一端和第四二极管D4的阴极连接的第一电感L1； [0063] 第二端接地的第三电容C3； [0064] 阳极与控制电路连接的第四二极管D4。 [0065] 该种实施方式中，驱动电路10中设置了第一电感L1，在低功率下对第二PIN二极管D2和第三二极管D3的背靠背式结构呈现较大总电容时，可以产生并联谐振电路，而在高功率下，平均电容减小，并联谐振电路失谐，反射的功率较多，从而可以对后级的放大电路20起到保护作用。 [0066] 控制电路输出高电平时，第四二极管D4正向导通，供给限幅开关电路导通电流，使得限幅开关电路处于衰减状态。而控制电路输出低电平时，第四二极管D4反向截止，供给限幅开关电路为零电压，使得限幅开关电路处于插入损耗状态。可以看出，控制电路通过输出高、低电平，使得本申请的限幅开关电路不仅实现了上文描述的限幅的功能，还能够实现开关的功能，即本申请是将限幅器和开关电路的功能结合到了限幅开关电路中。 [0067] 进一步的，可参阅图2，还可以包括： [0068] 第一端与控制电路连接，第二端与第四二极管D4的阳极连接的第一电阻R1； [0069] 第一端与控制电路连接，第二端与第四二极管D4的阳极连接的第四电容C4。 [0070] 该种实施方式中，通过第一电阻R1起到限流电阻的作用，使得控制电路输出低电平时，第四二极管D4能够有效地截止。而第四电容C4可以起到稳压的作用，使得控制电路输出高电平时，第四二极管D4能够有效地导通。 [0071] 在本发明的一种具体实施方式中，第一PIN二极管D1与第二PIN二极管D2的间距为λ/4，λ表示的是限幅开关放大器用于接收的信号波长。 [0072] 第一PIN二极管D1距离限幅开关放大器的输入端较近，第二PIN二极管D2则较远，第一PIN二极管D1和第二PIN二极管D2的间距也就是二者的传输线间距。 [0073] 第一PIN二极管D1和第二PIN二极管D2的间距会影响电路的插入损耗和衰减量，该种实施方式中，为了得到最佳匹配下的插入损耗和衰减量，将第一PIN二极管D1与第二PIN二极管D2的间距设置为λ/4，有利于得到合适的插入损耗和衰减量。λ表示的是限幅开关放大器用于接收的信号波长。 [0074] 在实际应用中，按照上文的介绍进行器件选型时，第一PIN二极管D1在X波段承受800W(脉宽为1μs、占空比为0.001)的功率、最大连续波功率为5W，第二PIN二极管D2在X波段承受200W(脉宽为1μs、占空比为0.001)的功率、最大连续波功率为3W。可以满足承受的最大脉冲功率为10W的要求(重复频率为1kHz、占空比为0.02)。 [0075] 并且，可以选取混合集成的方式，例如可以选用基片较薄厚度的5880‑δ0.254基片，以免在装配二极管管芯的地方出现大的不连续性，同时电路尺寸尽量小来抑制高次模式在微带电路盒内的传播。经过ADS的电路仿真，参数完全可以达到产品指标要求，利用HFSS软件对产品的腔体内部进行场仿真后，优化设计内部腔体结构。限幅开关小信号的参数为：插入损耗：≤0.7dB；驻波比：≤1.3；衰减量：42dB；开关上升沿起控时间56ns、下降沿关断时间220ns。 [0076] 本申请的放大电路20的具体电路构成可以根据需要进行设定和调整，在本发明的一种具体实施方式中，考虑到产品要求体积小的特点，放大电路20可以具体选取为体积小的低噪声放大电路20，例如具体选用的是GaAs MMIC低噪声放大器芯片。指标参数为：工作频率：(X.0‑XX.0)GHz；增益：24dB(典型值)；带内增益平坦度：±0.25dB；噪声系数：≤1.4dB；1dB输出功率压缩点：≥10dBm；输入输出驻波：≤1.5；最大输入连续波功率:18dBm； 工作电流：+5V/40mA(典型值)。 [0077] 在本发明的一种具体实施方式中，还可以包括： [0078] 阳极与第二PIN二极管D2的阳极连接，阴极接地的第三PIN二极管；其中，第二PIN二极管D2的I层厚度高于第三PIN二极管的I层厚度。 [0079] 在前述实施方式中，通过第一PIN二极管D1和第二PIN二极管D2实现了梯度设计，即两级限幅，该种实施方式中，则进一步地设置了第三PIN二极管，使得第一PIN二极管D1，第二PIN二极管D2以及第三PIN二极管实现3级梯度限幅。可以理解的是，在其他实施方式中，可以根据需要设置有其他的梯度级别，使得限幅开关电路达到限幅和低噪声的要求。当然，在实际应用中，最为常用的是上文的2级PIN二极管的设计。 [0080] 本申请的限幅开关放大器通常应用在X波段中，根据航天芯片电路使用规定和试验要求，本申请的X波段的限幅开关放大器采用全密封结构。同时，对所选用的封装器件进行严格的二次筛选试验和电老化试验，剔除早期失效，减少了电路设计中未考虑的一些外界条件带来的不定因素影响，使产品能稳定地在要求的环境下正常工作。而由于本申请的限幅开关放大器产品体积小，电路采用混合集成电路组装，腔体外部采用导电氧化工艺，内部采用镀金工艺，以利于所用的微波基片用合金工艺的方式进行烧结在腔体内部，芯片与载体之间用300°的金锡合金工艺进行共晶烧结，烧结后的芯片再采用183°锡膏烧结在腔体上，有效解决了耐功率二极管及有源器件散热问题。此外还对器件装配设立了关键工序检验点，严格按装配工艺流程图进行操作，进行芯片装配过程控制和装配后的芯片剪切力试验，提高产品可靠性。 [0081] 由于整机对X波段限幅开关放大器的长、宽、高和接头高度等尺寸要求较小，腔体只能采用一面进行设计。设计传输线和腔体的宽度尽量小来保证避免器件的高次模的反射，设计器件的安装空间应尽量小，提高开关的隔离度和产品的增益平坦度指标。腔体采用LY‑12硬铝材料，腔体外表面采用导电氧化工艺，腔体内部及接头处采用镀金工艺。产品在进行基片烧结合格后，通过X光射线检查烧结空洞率，空洞率应满足工艺检验标准后先进行封装器件和高温引线的装配，检验装配合格后对二极管驱动电路10测试性能合格，然后进行芯片烧结工序。芯片装配完成后进行高倍镜检以剔除装配过程对芯片的损坏，再流入调试工序，调试完成后再一次进行高倍镜检以剔除调试阶段对芯片的损坏，以免被损坏的芯片短期无法暴露的问题在整机使用中出现故障，保证产品的长期可靠性。 [0082] 相应于上面的限幅开关放大器，本发明实施例还提供了一种雷达接收系统，可与上文相互对应参照。该雷达接收系统通常可以为用于接收X波段的信号的雷达接收系统。 [0083] 应用本发明实施例所提供的技术方案，通过限幅开关电路中设置了第一PIN二极管D1和第二PIN二极管D2，第一PIN二极管D1的I层厚度高于第二PIN二极管D2的I层厚度，即第一PIN二极管D1和第二PIN二极管D2组成两级限幅电路。PIN二极管具有高电阻率的I层，因此，通过I层厚度较高的第一PIN二极管D1可以有效地进行限幅，而第二PIN二极管D2的I层厚度较低，使得第二PIN二极管D2在进行限幅能力的补充的同时，不会引入太大的插入损耗。因此，在使得限幅开关放大器的限幅能力达到要求的同时，又不会带来过大的噪声系数。此外，本申请的限幅开关电路同时实现了限幅器的功能和开关电路的功能，即实现了限幅器和开关电路的一体化，因此有利于实现小型化。具体的，驱动电路10的输出端与第二电容C2的第一端连接，并且可以根据控制电路的输出控制限幅开关电路的开关状态，即控制限幅开关电路处于插损态或者处于衰减态，实现限幅开关电路的开关功能。综上所述，本申请的方案可以有效地使得限幅开关放大器的噪声系数和限幅能力达到要求，且实现小型化。 [0084] 还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。 [0085] 专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。 [0086] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。 |
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