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低相位噪声放大器提高接收机和雷达性能
材料来源:《微波杂志》2018年7/8月号           录入时间:2018/7/27 11:57:41

微波系统的相位噪声会影响从雷达目标采集到通信系统频谱完整性等各个方面,其中直接下变频接收机和雷达收发机对相位噪声特别敏感。为了解决这个问题,Custom MMIC公司开发了一系列MMIC低相位噪声放大器(LPNA)。

由于电路简单,直接下变频接收机在微波通信系统中很受欢迎。该接收机包括由本地振荡器(LO)驱动的单个混频器,该混频器将输入RF信号转换为非常低的基带频率。基带信号输入到模数转换器后进行数字信号处理。这种结构的一个通用术语是“RF in,bit out”。直接下变频的一个问题是输入RF频率非常接近LO频率,使得下变频对相位噪声非常敏感,特别是当RF信号较弱时。

在雷达系统中,问题是相似的。多普勒雷达通过以一个频率发射一个脉冲进行操作,然后测量返回脉冲的频移,该频移与正在成像的物体的速度成比例。缓慢移动的物体将产生一个与发射脉冲频率接近的返回脉冲,如果物体(例如无人机)的横截面非常小,接收信号的功率将非常低。当返回脉冲被转换到基带以恢复速度信息时,相位噪声会干扰最终结果。

直接变频接收机和雷达系统面临的困境如图1所示,图1显示了正在转换的RF信号的功率是否低于LO信号的相位噪声频谱,因为信号被噪音淹没,所以不能恢复基带信息。降低相位噪声会提升接收机的灵敏度。

图1:理想LO信号(蓝色),具有相位噪声的LO信号(红色)和要转换为基带的近距离RF信号(绿色)。

进行多载波正交频分复用(OFDM)信号下变频的相位噪声影响如图2所示。如果LO的相位噪声过高,则噪声将被转换为基带的相邻信道数据,破坏了信息的完整性。

图2:OFDM系统中的相位噪声问题:理想LO信号(蓝色),带有相位噪声的LO信号(红色)和RF信号(绿色)。

从哪儿开始?

限制相位噪声的一个显而易见的地方是振荡器,即花费大量时间和金钱来设计或获得低噪声振荡器。然而,大多数振荡器不会产生足够的输出功率来驱动混频器的LO输入,并需要后置放大器。如果需要将+5dBm的振荡器输出放大到+15至+17dBm以驱动混频器的LO端口,放大器是否会影响LO信号的相位噪声?理想情况下,答案是“否”,因为放大器只是将所需的LO信号及其裙部提升到相同的水平。

然而,实际情况是,微波放大器增加了噪声,这一现象被称为1/f或闪烁噪声,噪声功率添加到输入信号,其频谱与偏移频率的倒数成比例地下降。如果这种噪声大于输入信号的相位噪声,那么放大器噪声将主宰输出噪声频谱,并且振荡器的低相位噪声将被放大器的较高相位噪声所取代,因而无法通过低相位噪声振荡器的设计限制相位噪声(见图3)。

 

图3:由放大器引起的相位噪声恶化:左侧输入信号的裙部在通过放大器后增加,产生右侧的输出频谱。

了解了这一点后,放大器成为链路中要解决噪声问题的另一个部分。为什么之前没有解决这个问题?答案在于器件物理学:1/f噪声是由有源器件通道中的随机和热电荷移动引起的。由于高电子迁移率,使用GaAs PHEMT工艺制造的FET通常具有更高频率的1/f角。另一方面,GaAs双极性器件(例如HBT)具有较低的电子迁移率,这导致1/f噪声低得多,并且它们具有比它们的FET对应器件好得多的相位噪声(参见图4)。因此,降低加性相位噪声的一个解决方案是使用GaAs HBT工艺。

 

图4:GaAs PHEMT放大器(CMD167)的相位噪声通常大于GaAs HBT放大器(CMD245)的相位噪声。

在针对以上方案的探索后,Custom MMIC最近发布了一系列用GaAs HBT工艺制造的LPNA MMIC现货。提供匹配至50Ω的DC-40GHz的宽带覆盖模块。该系列中的五款产品在10kHz偏移下实现低至-165dBc/Hz的相位噪声性能。它们还具有低至3dB的低噪声指数,OIP3高达29dBm的高线性度,18GHz时增益可达18dB,22GHz时可达17dB,40GHz时可达13dB。MMIC系列包括3个裸片和2个封装MMIC,采用4mm x 4mm QFN封装。这些放大器正在用于军事和仪器应用的各种LO和高灵敏度接收机电路。这些设计的另一个好处是自我偏置,它们只需要一个3到5V的单一正电源,从而减少了对使用负电源的器件所需的大量偏置电路的需求。

解决相位噪音的其他方式

除了振荡器和放大器之外的其他组件也会产生相位噪声,包括倍频器。一些微波系统使用较低频率的振荡器倍频产生较高的频率。一种常用的倍频技术是使用谐波终端放大器来产生所需的输出频率。不幸的是,这会将放大器的相位噪声加到倍频信号上,这会提高原始振荡器的相位噪声。第二种方法是无源倍频,它为倍频信号增加了最小的相位噪声。Custom MMIC还开发了一系列无源HBT倍频器,该倍频器不会增加输入信号的相位噪声。

公司网站上提供了所有Custom MMIC产品的详细数据表、S参数和评估板。

Custom MMIC

Chelmsford, Mass.

www.CustomMMIC.com


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