一种宽动态抗饱和低噪声电路及控制方法
阅读说明：本技术 一种宽动态抗饱和低噪声电路及控制方法 (Wide dynamic anti-saturation low-noise circuit and control method ) 是由 彭恩超 张瑞 莫骊 谢科 张永慧 陈甘霖 倪建春 钱剑勋 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种宽动态抗饱和低噪声电路及控制方法,能量分配电路的输入端0与天线连接,接收天线的输入信号S1,能量分配电路的主路输出端1与低噪声放大器的输入端之间通过限幅电路连接,低噪声放大器的输出端与N选一开关网络K1的分端口1连接,低噪声放大器的供电端与电源开关K2的源极连接,电源开关K2的栅极与驱动电路连接,电源开关K2的漏极与电源连接；N选一开关网络K1的端口0与接收后端电路连接,接收后端电路送出处理后的输出信号S2；本发明的电路结构简单,稳定可靠,实现接收系统多档可调超高动态范围,且最大输入信号幅度能突破低噪声放大器输入P-(-1)的限制。(The invention discloses a wide dynamic anti-saturation low-noise circuit and a control method, wherein an input end 0 of an energy distribution circuit is connected with an antenna and receives an input signal S1 of the antenna, a main circuit output end 1 of the energy distribution circuit is connected with an input end of a low-noise amplifier through an amplitude limiting circuit, an output end of the low-noise amplifier is connected with a branch port 1 of an N-out-of-one switch network K1, a power supply end of the low-noise amplifier is connected with a source electrode of a power switch K2, a grid electrode of the power switch K2 is connected with a driving circuit, and a drain electrode of the power switch K2 is connected with a power supply; the port 0 of the N-selected switch network K1 is connected with a receiving back-end circuit, and the receiving back-end circuit sends out a processed output signal S2; the circuit of the invention has simple structure, stability and reliability, realizes the adjustable ultrahigh dynamic range of a receiving system in multiple gears, and the maximum input signal amplitude can break through the input P of the low noise amplifier ‑1 The limit of (2).)
技术领域
本发明涉及雷达、通讯、电子对抗系统接收技术领域，具体为一种宽动态抗饱和低噪声电路及控制方法。
背景技术
随着雷达和通讯技术的不断发展，对于接收系统的性能要求不断提高，尤其是接收系统的灵敏度和动态范围。一部性能优良的接收系统，需要具备高灵敏度和大动态范围。当接收系统带宽固定的情况下，噪声系数决定了系统的灵敏度，噪声系数越小灵敏度越高。通常，作为接收前端的低噪声放大器，成为影响接收系统噪声系统和动态范围的关键。一方面，当低噪声放大器的增益足够高，接收后端电路对系统噪声系数的影响无足轻重；另一方面，提高低噪声放大器增益，在输出一定的情况下，输入P-1将会降低，此时会影响到接收系统的动态范围。
为了提高接收系统的动态范围，一种有效的方法是在低噪声放大器的前面增加数控衰减器，当输入信号小于低噪声放大器的输入P-1时，数控衰减器不衰减，当输入信号大于低噪声放大器的输入P-1时，数控衰减器开始衰减，从而系统的动态范围得到扩展。然而数控衰减器的插入损耗为2dB左右，使系统的噪声系数增大相应数值，恶化整个系统的灵敏度；另外数控衰减器的耐功率通常在30dBm左右，这限制了其在大功率情形下的应用，限制了系统动态范围的进一步扩展。
公开号为CN210518283U公开了一种小型化高灵敏度大动态宽带接收装置，该专利所述装置包括天线、保护电路、带通滤波器、低噪声放大器、步进衰减器和模数转换器；自动增益控制电路由一个步进衰减器组成，使得该专利的宽带接收装置灵敏度高，但其最大输入信号幅度仍然受到低噪声放大器输入P-1限制，且低噪声放大器前面的单刀双掷开关增大系统的噪声系数。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：提供一种宽动态抗饱和低噪声电路及控制方法。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种宽动态抗饱和低噪声电路，包括能量分配电路、限幅电路、低噪声放大器、N选一开关网络K1、接收后端电路、电源开关K2、驱动电路、电源；
能量分配电路包括一个输入端0和N个输出端(N≥2)，N个输出端为主路输出端1、支路输出端2、支路输出端3、…、支路输出端N；
能量分配电路的输入端0与天线连接，接收天线的输入信号S1，能量分配电路的主路输出端1与低噪声放大器的输入端之间通过限幅电路连接，低噪声放大器的输出端与N选一开关网络K1的分端口1连接，低噪声放大器的供电端与电源开关K2的源极连接，电源开关K2的栅极与驱动电路连接，电源开关K2的漏极与电源连接；
能量分配电路的支路输出端2、支路输出端3、…、支路输出端N分别与N选一开关网络K1的分端口2、分端口3、…、分端口N连接，N选一开关网络K1的端口0与接收后端电路连接，接收后端电路送出处理后的输出信号S2。
优点：本发明的电路结构简单，稳定可靠，实现接收系统多档可调超高动态范围，且最大输入信号幅度能突破低噪声放大器输入P-1的限制。
优选地，能量分配电路包括耦合器、功分器、电桥的一种或多种的组合。
优选地，能量分配电路各支路端口的耦合度C2～CN大于10dB，且满足C2＜C3＜…＜CN。
优选地，低噪声放大器包括硅基、砷化镓基、氮化镓基的半导体放大器，低噪声放大器在关闭电源情况下，输入输出耦合度Cp大于30dB，小于60dB。
优选地，N选一开关网络K1各分口之间隔离，当开关切换至某一分口时，其余分口连接匹配负载。
优选地，电源开关K2包括硅基、砷化镓基、氮化镓基的半导体开关管，是N型MOS管或P型MOS管。
优选地，接收后端电路实现微波射频信号的变频、放大、滤波、增益控制、模数变换、数字预处理等一种或多种功能。
一种宽动态抗饱和低噪声电路的控制方法，当来自天线的输入信号S1的功率小于低噪声放大器的输入P-1，将N选一开关网络K1的开关切换至分端口1，电源开关K2导通，电源经过电源开关K2后将低噪声放大器的供电端接通，此时低噪声放大器工作，输入信号S1依次通过能量分配电路的主路端口1、限幅电路、低噪声放大器、N选一开关网络K1、接收后端电路，最终送出输出信号S2，能量分配电路的各支路端口的信号功率均被负载吸收。
优选地，当来自天线的输入信号S1的功率大于低噪声放大器的输入P-1，N选一开关网络K1的开关切换至分端口i，其中2≤i≤N，电源开关K2关断，电源未与低噪声放大器的供电端接通，因此低噪声放大器不工作，输入信号通过能量分配电路的支路端口i，然后依次通过N选一开关网络K1、接收后端电路，最后送出输出信号S2；由于C2＜C3＜…＜CN，若输入信号S1的功率继续增大，使得能量分配电路的支路端口i的信号让接收后端电路饱和，则N选一开关网络K1切换至端口j(i＜j≤N)，能量分配电路的其余输出端口的信号功率均被负载吸收。
优选地，N选一开关网络K1的开关切换至分端口1，电源开关K2关断，低噪声放大器不工作，但存在输入输出耦合，输入信号S1通过能量分配电路的主路端口1，然后依次通过限幅电路、低噪声放大器的输入输出耦合、N选一开关网络K1、接收后端电路，最后送出输出信号S2，能量分配电路的各支路端口的信号功率均被负载吸收。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的电路结构，实现接收系统多档可调超高动态范围，最大输入信号幅度突破低噪声放大器输入P-1的限制，受限幅器的耐功率Pw的制约，目前限幅器的耐功率可达百瓦量级，使得灵敏度以上、百瓦级以下的大动态范围射频信号均能实现接收。
(2)本发明的电路结构，设计能量分配电路的主路端口和支路端口的功率分配比，可实现主路端口插入损耗低于0.3dB，确保接收小信号输入时，链路噪声系数与常规接收链路指标相当。
(3)模式切换响应速度快。射频开关切换时间可控制在10ns以内，电源调制开关关断时间对本电路影响较小(低噪声放大器关断过程中的信号直接被负载吸收，基于开关本身的隔离度较大，因此影响很小)。
(4)本发明所述电路结构简单，稳定可靠，便于单片集成，成本优势明显。
(5)应用频段广。本发明电路结构可应用于射频、微波、毫米波接收系统中，频段范围覆盖米波段至W波段。
附图说明
图1为本发明实施例的电路连接示意图。
图2为本发明实施例的小的输入信号条件下的传输示意图。
图3为本发明实施例的大的输入信号条件下控制方式1的传输示意图。
图4为本发明实施例的大的输入信号条件下控制方式2的传输示意图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参阅图1，本实施例公开了一种宽动态抗饱和低噪声电路，包括能量分配电路、限幅电路、低噪声放大器、N选一开关网络K1、接收后端电路、电源开关K2、驱动电路、电源；
能量分配电路包括一个输入端0和N个输出端(N≥2)，N个输出端为主路输出端1、支路输出端2、支路输出端3、…、支路输出端N；
能量分配电路的输入端0与天线连接，用于接收来自天线的输入信号S1；
能量分配电路的主路输出端1与低噪声放大器的输入端之间通过限幅电路连接，低噪声放大器的输出端与N选一开关网络K1的分端口1连接，低噪声放大器的供电端与电源开关K2的源极连接，电源开关K2的栅极与驱动电路连接，电源开关K2的漏极与电源连接；
能量分配电路的支路输出端2、支路输出端3、…、支路输出端N分别与N选一开关网络K1的分端口2、分端口3、…、分端口N连接，N选一开关网络K1的端口0与接收后端电路连接，接收后端电路送出处理后的输出信号S2。
能量分配电路包括但不限于耦合器、功分器、电桥等一种或多种的组合，将输入信号S1分成主路端口1输出、支路端口2输出、支路端口3输出、…、支路端口N输出共N路输出；其中，主路端口1的插入损耗应尽量小，一般插入损耗小于0.5dB，各支路端口的耦合度C2～CN不能太低，一般大于10dB，并且满足C2＜C3＜…＜CN。
限幅电路为有源的或者无源的，限幅电路应具备较低的插入损耗和较高的耐功率Pw。
低噪声放大器包括但不限于硅基、砷化镓基、氮化镓基等半导体放大器，包括一级或多级放大，低噪声放大器应具备较低的噪声系数NF，较高的功率增益Gp，低噪声放大器在关闭电源情况下，输入输出存在微弱的功率耦合，耦合度为Cp，一般大于30dB，小于60dB。
N选一开关网络K1各分口之间具备较高的隔离度，当开关切换至某一分口时，其余分口连接匹配负载。
电源开关K2包括但不限于硅基、砷化镓基、氮化镓基等半导体开关管，其既可以是N型MOS管也可以是P型MOS管。
接收后端电路能够实现微波射频信号的变频、放大、滤波、增益控制、模数变换、数字预处理等一种或多种功能。
本实施例还提供一种宽动态抗饱和低噪声电路的控制方法：
(1)当来自天线的输入信号S1的功率小于低噪声放大器的输入P-1，如图2所示，将N选一开关网络K1的开关切换至分端口1，电源开关K2导通，电源经过电源开关K2后将低噪声放大器的供电端接通，此时低噪声放大器工作，输入信号S1依次通过能量分配电路的主路端口1、限幅电路、低噪声放大器、N选一开关网络K1、接收后端电路，最终送出输出信号S2，能量分配电路的各支路端口的信号功率均被负载吸收。
(2)当来自天线的输入信号S1的功率大于低噪声放大器的输入P-1，采用如下两种控制方式接收信号：
如图3所示，N选一开关网络K1的开关切换至分端口i，其中2≤i≤N，电源开关K2关断，电源未与低噪声放大器的供电端接通，因此低噪声放大器不工作，输入信号通过能量分配电路的支路端口i，然后依次通过N选一开关网络K1、接收后端电路，最后送出输出信号S2；由于C2＜C3＜…＜CN，若输入信号S1的功率继续增大，使得能量分配电路的支路端口i的信号让接收后端电路饱和，则N选一开关网络K1切换至端口j(i＜j≤N)，能量分配电路的其余输出端口的信号功率均被负载吸收。
如图4所示，N选一开关网络K1的开关切换至分端口1，电源开关K2关断，低噪声放大器不工作，但存在输入输出耦合，输入信号S1通过能量分配电路的主路端口1，然后依次通过限幅电路、低噪声放大器的输入输出耦合、N选一开关网络K1、接收后端电路，最后送出输出信号S2，能量分配电路的各支路端口的信号功率均被负载吸收。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述实施例仅表示发明的实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。
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