陳永任　袁杰　彭海燕

摘 要 本文根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用設(shè)計(jì)了一種大動(dòng)態(tài)低脈沖展寬的多普勒信號(hào)放大器，文中詳細(xì)介紹了該放大器的設(shè)計(jì)方法并給出本電路的仿真結(jié)果及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。該多普勒信號(hào)放大器的最小輸入信號(hào)峰峰值≤40μV，輸出噪聲電平峰峰值≤40mV，增益≥60dB，輸入動(dòng)態(tài)范圍≥60dB，脈沖展寬≤10ns。具有靈敏度高，輸出噪聲小，脈沖展寬小等特點(diǎn)，可滿足實(shí)際工程應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞 多普勒;脈沖多普勒;脈沖展寬

中圖分類號(hào)： TJ43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.02.007

0 前言

脈沖多普勒雷達(dá)因具有良好的測(cè)距、測(cè)速能力，以及良好的抗海地雜波能力被廣泛應(yīng)用于機(jī)載、彈載雷達(dá)[1-4]。因具有良好的超低空作戰(zhàn)能力，無線電引信也多采用脈沖多普勒體制。

脈沖多普勒雷達(dá)多采用AGC放大器或大動(dòng)態(tài)限幅放大器進(jìn)行中頻處理以保證接收機(jī)有良好的接收靈敏度及接收動(dòng)態(tài)。

中頻AGC放大器因能較好的保留信號(hào)的幅度信息且在大信號(hào)輸入的情況下能獲得較好的信噪比而在中頻處理系統(tǒng)中使用更廣泛，但容易受整機(jī)泄露噪聲干擾而影響接收靈敏度[5]，AGC響應(yīng)速度也對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用有一定的影響。限幅放大器對(duì)大信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，但限幅狀態(tài)下無法保留接收信號(hào)的相對(duì)幅度信息，且限幅會(huì)引起脈沖展寬，影響系統(tǒng)的測(cè)速、測(cè)距精度。為保證測(cè)速、測(cè)距精度，限幅放大器的脈沖展寬應(yīng)盡量低。

本文根據(jù)某型號(hào)引信的實(shí)際使用要求，設(shè)計(jì)了一種大動(dòng)態(tài)，低脈沖展寬的多普勒信號(hào)放大器。該多普勒信號(hào)放大器的技術(shù)指標(biāo)要求如下：最小輸入信號(hào)峰峰值≤40μV，輸出噪聲電平峰峰值≤40mV，增益≥60dB，輸入動(dòng)態(tài)范圍≥60dB，脈沖展寬≤10ns。

1 電路設(shè)計(jì)與分析

1.1 總體方案

根據(jù)指標(biāo)要求，考慮采用三級(jí)級(jí)聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。第一級(jí)為低噪聲放大單元，第二級(jí)緩沖放大，最后一級(jí)為輸出放大。低噪聲放大與緩沖放大間、緩沖放大與輸出放大間為限幅單元，保證輸入動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)輸出幅度不超出后續(xù)處理單元的承受能力。原理框圖如圖1所示。

1.2 低噪聲放大單元設(shè)計(jì)

根據(jù)接收機(jī)理論，最小輸入信號(hào)可表述為接收機(jī)的靈敏度。接收機(jī)靈敏度公式如下

Smin為接收靈敏度，單位dBm;BW為系統(tǒng)帶寬，單位為Hz;NF為系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，單位為dB;SNRO為系統(tǒng)輸出信噪比，單位dB。

由公式（3）可知，級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要受前級(jí)低噪聲放大器影響，后級(jí)放大器對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的貢獻(xiàn)逐漸減小。為保證整體噪聲系數(shù)≤8.2dB，前級(jí)低噪聲放大器的噪聲系數(shù)控制在3dB以內(nèi)，增益大于10dB。為保證輸入動(dòng)態(tài)要求，低噪聲放大器的輸入1dB壓縮點(diǎn)應(yīng)≥-10dBm。

根據(jù)擬定的指標(biāo)，并考慮可適時(shí)調(diào)整低噪聲放大單元的指標(biāo)，本文采用Motorola公司的寬帶低噪聲NPN管設(shè)計(jì)了低噪聲放大器，并采用Agilent公司的ADS2011進(jìn)行仿真。低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法在參考文獻(xiàn)[6]中有詳細(xì)介紹，本文不做詳細(xì)論述。低噪聲放大器的仿真原理圖如圖2所示，仿真結(jié)果見圖3。

由仿真結(jié)果可知，低噪聲放大器絕對(duì)穩(wěn)定，噪聲系數(shù)小于3dB，增益≥13.5dB，輸出1dB壓縮點(diǎn)約為7dBm。

1.3 緩沖放大及輸出放大單元設(shè)計(jì)

緩沖放大單元為系統(tǒng)提供增益，輸出放大單元保證輸出幅度或輸出功率滿足系統(tǒng)要求?？紤]系統(tǒng)的工作頻率不超過75MHz，本文中選用高速、寬帶電流反饋運(yùn)算放大器制作緩沖放大單元及輸出放大單元。

文中采用的運(yùn)算放大器為1GHz，5500V/μs，低功耗，電流反饋運(yùn)算放大器。該運(yùn)算放大器在G=+10時(shí)帶寬仍≥235MHz，可滿足系統(tǒng)帶寬75MHz的使用要求;G=+2時(shí)上升時(shí)間545ps，0.1%穩(wěn)定時(shí)間10ns，可保證對(duì)信號(hào)放大后脈沖展寬盡量小;輸出電流≥150mA，可保證大功率輸出要求。

本文緩沖放大單元采用同相放大結(jié)構(gòu)，為保證系統(tǒng)的輸入輸出同相，輸出放大單元采用反相放大結(jié)構(gòu)。同相放大器及反相放大器原理如圖4所示。

同相放大器的電壓增益GV=1+RF/R1，而反相放大器的電壓增益GV=RF/R1。通過調(diào)整RF和R1的比值可靈活的調(diào)整放大器的增益，這是本文考慮采用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)緩沖放大單元和輸出放大單元的主要原因。文中緩沖放大單元設(shè)計(jì)增益為20dB，輸出放大單元設(shè)計(jì)增益為32dB。

1.4 限幅單元設(shè)計(jì)

限幅器可采用肖特基二極管的整流特性、變?nèi)荻O管的變?nèi)萏匦曰騊IN二極管的微波電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)[7-8]。微波大功率限幅器多采用PIN二極管的微波電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但要獲得高隔離度，一般需要采用多級(jí)PIN二極管級(jí)聯(lián)。而肖特基二極管多用于低頻小功率限幅器的設(shè)計(jì)。在低頻小功率應(yīng)用時(shí)，采用背靠背肖特基二極管設(shè)計(jì)的限幅器可以獲得很高的信號(hào)隔離度[7]，且插入損耗極小。

本文采用背靠背的肖特基二極管設(shè)計(jì)了前級(jí)限幅器，原理圖如圖5所示。當(dāng)輸入信號(hào)幅度低于二極管的結(jié)電壓VF時(shí)，二極管截止，信號(hào)通過微帶線直接傳輸?shù)胶蠹?jí)器件。當(dāng)輸入信號(hào)幅度大于二極管的結(jié)電壓時(shí)，兩個(gè)二極管分別在信號(hào)的正、負(fù)半周導(dǎo)通將信號(hào)幅度限制在±VF范圍內(nèi)。

前級(jí)限幅器的作用是在大信號(hào)輸入時(shí)保證后級(jí)限幅器的輸入幅度不會(huì)超出后級(jí)限幅二極管的承受范圍，后級(jí)限幅負(fù)責(zé)精確限幅。因此，后級(jí)限幅單元采用4肖特基二極管有源限幅的結(jié)構(gòu)。原理圖如圖6所示。

圖6中有源限幅器的工作原理為：在Ri=Ro情況下，當(dāng)輸入電壓Vin在Vc+VF≤Vin≤Va-VF范圍時(shí)（VF為二極管結(jié)電壓），二極管D1、D2及D3、D4順次被加偏壓，全部二極管均導(dǎo)通，輸入信號(hào)與輸出信號(hào)幅度一致;當(dāng)輸入電壓Vin大于Va-VF時(shí)，二極管D1截止，二極管D3的負(fù)極電壓接近Va-VF;反之，若輸入電壓Vin小于Vc+VF時(shí)，二極管D2截止，二極管D4的正極電壓接近Vc+VF，輸出電壓就被限制在Va-VF與Vc+VF之間，達(dá)到限幅目的。通過調(diào)整R1和R2的電阻值可改變Va和Vc的電壓值，達(dá)到精確調(diào)整限幅范圍的目的。

1.5 系統(tǒng)仿真

各個(gè)單元電路設(shè)計(jì)完成后，采用Agilent公司的ADS2011對(duì)整個(gè)放大器進(jìn)行鏈路仿真以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。在非限幅狀態(tài)下兩級(jí)限幅單元表現(xiàn)為固定的插入損耗，鏈路仿真時(shí)以固定衰減器代替。非限幅狀態(tài)下的仿真原理圖如下圖7所示。鏈路仿真結(jié)果如下圖8所示，其中NF_RefIn_NoImage_dB為由系統(tǒng)輸入到元器件輸出的噪聲系數(shù)，OutPGain_dB為由系統(tǒng)輸入到元器件輸出的增益。由圖9可知，非限幅狀態(tài)下的噪聲系數(shù)為4.13dB，最大增益61dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

鏈路仿真完成后，采用OrCAD_Capture_CIS對(duì)技術(shù)線路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下圖9所示。

2 電路測(cè)試結(jié)果與分析

最后，根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，采用厚膜MCM工藝制作了限幅放大器，并對(duì)放大器進(jìn)行測(cè)試。

采用KEYSIGHT公司E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀、Agilent公司N5181A信號(hào)源、Agilent公司33250A任意波形發(fā)生器、R&S公司URV55高頻毫伏表、KEYSIGHT公司DSOX3104T示波器、RIGOL公司DP1306A穩(wěn)壓電源等儀器對(duì)加工好的電路進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖10及表1、表2所示。由測(cè)試結(jié)果可知，放大器的增益61.9dB;3dB帶寬約為78.6MHz（78.6MHz-22.2kHz）;輸出噪聲電平9.5mVRMS（26.9mVP-P）;輸出信噪比大于3dB時(shí)，最小輸入信號(hào)-88dBm（25μVP-P）;-16dBm（100mVP-P）輸入時(shí)，脈沖展寬6.8ns;輸入動(dòng)態(tài)72dB（-16dBm-（-88dBm））;測(cè)試結(jié)果滿足技術(shù)指標(biāo)要求且與仿真結(jié)果基本一致，實(shí)際測(cè)試與仿真間的微小差異主要是由元器件的實(shí)際精度導(dǎo)致。

表3給出本文限幅放大器與近年來發(fā)表的限幅放大器的性能對(duì)比?？梢钥闯?，本文設(shè)計(jì)的限幅放大器有較好的帶寬和增益特性，輸出幅度優(yōu)于其他限幅放大器。本文設(shè)計(jì)的限幅放大器脈沖展寬小于10ns，而其他文獻(xiàn)未見報(bào)道。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了一種大動(dòng)態(tài)低脈沖展寬多普勒放大器的設(shè)計(jì)方法。文中創(chuàng)新性地采用4肖特基二極管有源限幅+高速運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)限幅放大功能，在滿足大動(dòng)態(tài)、低脈沖展寬的同時(shí)，可非常方便地實(shí)現(xiàn)限幅輸出幅度及增益的調(diào)整，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)增益及限幅輸出的要求。與同類產(chǎn)品相比，本文的限幅放大器具有輸入動(dòng)態(tài)大、增益高、脈沖展寬小、限幅輸出幅度及增益易于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。采用本文的設(shè)計(jì)方法可快速形成限幅輸出幅度、增益不同的系列化產(chǎn)品，有較高的實(shí)用價(jià)值和較好的市場(chǎng)前景。本文設(shè)計(jì)的限幅放大器已在整機(jī)中大量使用，效果良好，且采用本文方法設(shè)計(jì)的另一小型化產(chǎn)品也在整機(jī)上小批量使用。本文的設(shè)計(jì)方法可為同類限幅放大器的設(shè)計(jì)提供有益的參考。

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