一种基于零反射网络的辐射计
阅读说明：本技术 一种基于零反射网络的辐射计 (Radiometer based on zero reflection network ) 是由 毕晓君 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于零反射网络的辐射计,包括：多级低噪声放大器和零反射网络；多级低噪声放大器包括：N个级联的单级低噪声放大单元,依次记为第一级低噪声放大单元、……、第i级低噪声放大单元、……和第N级低噪声放大单元,用于将射频输入信号进行放大,零反射网络用于将多级低噪声放大器的输出阻抗进行匹配,并将带外反射信号进行吸收以实现端口无反射信号；混频器可以设置于基于零反射网络的外差式辐射计的最后一级；检波器可以设置于基于零反射网络的直检式辐射计的最后一级。本发明通过零反射网络的引入,提升了辐射计系统的线性度、灵敏度和稳定性,同时减小了电路尺寸。(The invention discloses a radiometer based on a zero reflection network, which comprises: a multi-stage low noise amplifier and a zero reflection network; the multistage low noise amplifier includes: the N cascaded single-stage low-noise amplification units are sequentially marked as a first-stage low-noise amplification unit, … …, an i-th-stage low-noise amplification unit, … … and an N-th-stage low-noise amplification unit and are used for amplifying a radio frequency input signal, and the zero reflection network is used for matching the output impedance of the multi-stage low-noise amplifier and absorbing an out-of-band reflection signal to realize no-reflection signal at a port; the mixer can be arranged at the last stage of the heterodyne radiometer based on the zero reflection network; the detector can be arranged at the last stage of the direct-detection radiometer based on the zero-reflection network. The invention improves the linearity, sensitivity and stability of the radiometer system and reduces the circuit size by introducing the zero reflection network.)
技术领域
本发明属于辐射计技术领域，更具体地，涉及一种基于零反射网络的辐射计及其衍生架构。
背景技术
辐射计是根据物体辐射特性而设计的装置，可接收环境的热辐射从而进行探测和成像。外差式构和直检式架构广泛运用于辐射计的设计，前者主要由多级低噪声放大器(LNA)和混频器构成，后者主要由多级低噪声放大器和检波器构成。硅工艺的成熟使得全集成、高性能的毫米波辐射计成为可能，可以用于V波段、W波段甚至更高频段。通常，环境辐射信号的大小约为-90dBm，毫米波辐射计以大量阵列单元的方式进行探测，这对辐射计的灵敏度和动态范围提出了很高的要求。然而辐射计中各模块的级间信号反射会使得放大器、混频器和检波器等有源器件引入额外的交调信号、加大增益波动，降低整个辐射计系统的动态范围，甚至造成内部自激而无法正常工作。因此减少辐射计中各模块的级间信号反射是提高稳定性和线性度的一种有效手段。
这里以外差式辐射计为例，为减少级间反射，现有的外差式辐射计架构主要有以下三种：
(1)如图1所示，在多级低噪声放大器和混频器之间添加环形器，正向信号经过环形器直通传输，而在混频器输入端面产生的反射信号则被环形器吸收。但受工艺所限，环形器不能通过硅基集成，这种架构只能采用混合集成方式实现，增大了系统尺寸与功耗；
(2)如图2所示，在多级低噪声放大器和混频器之间添加了可硅基集成的衰减器，级间反射信号被衰减器吸收从而提高隔离度，然而衰减器同时也会衰减正向波，因此这种架构不可避免地降低了系统增益，对整体系统的灵敏度提升并不明显甚至会造成恶化。
(3)如图3所示，增加一组多级低噪声放大器，在两组多级低噪声放大器前后添加正交耦合器构成平衡式放大器结构，来自放大器、混频器的反射信号经过正交耦合器，在射频输入端被抵消从而减少了反射信号。然而正交耦合器的带宽受限，因此这种架构由于正交耦合器的引入存在反射信号吸收带宽窄、电路尺寸大和功耗大等问题。
需要说明的是，以上同样适用于现有的直检式辐射计，将混频器换成检波器即可。
综上所述，现有的辐射计在减少级间反射技术上受到器件性能或电路结构的限制，存在反射信号吸收带宽窄、增益降低、不能全集成、电路尺寸大、功耗高等问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明的目的在于提供一种基于零反射网络的辐射计，旨在解决现有辐射计在减少级间反射技术上受到器件性能或电路结构的限制，存在反射信号吸收带宽窄、增益降低、不能全集成、电路尺寸大或功耗高的问题，本发明同时进一步提高系统的稳定性和线性度。
本发明提供了一种基于零反射网络的辐射计，包括：多级低噪声放大器和零反射网络；多级低噪声放大器包括：N个级联的单级低噪声放大单元，依次记为第一级低噪声放大单元、……、第i级低噪声放大单元、……和第N级低噪声放大单元，用于将射频输入信号进行放大，零反射网络用于将所述多级低噪声放大器的输出阻抗进行匹配，并将带外反射信号进行吸收以实现端口无反射信号；其中，N表示单级低噪声放大单元的个数，i表示单级低噪声放大单元的序号，N为大于等于2的整数，1≤i≤N。
本发明中，零反射网络作为多级低噪声放大器的输出阻抗匹配网络，同时还作为反射信号吸收网络，吸收后级混频器产生的反射信号，提高前后级器件的稳定性和线性度。且多级低噪声放大器由N个单级低噪声放大单元级联构成，可以给链路提供足够高的增益。
其中，零反射网络为无源网络，采用简单的集总元件和传输线结构，相比环形器和衰减器，可硅基集成，且电路尺寸小、损耗低，避免系统增益的降低。此外零反射网络不仅将带内阻抗进行匹配，且将带外反射信号进行吸收以实现端口无反射信号，相比带正交耦合器的平衡式结构，吸收带宽大大增加，进一步提高了系统的线性度和稳定性。
更进一步地，零反射网络连接至第N级低噪声放大单元的输出端，用于将带内阻抗进行匹配并将带外反射信号进行吸收，提升前级低噪声放大器的稳定性和线性度，同时增大后级混频器的转换增益。
更进一步地，零反射网络设置在N个单级低噪声放大单元中任意两个低噪声放大单元之间；零反射网络作为单级低噪声放大器的输出匹配网络或输入匹配网络，构成零反射低噪声放大器，吸收来自后级电路或前级电路的反射信号，与基于传统50Ω的匹配网络相比，可以显著增强前后级低噪声放大器的稳定性和线性度，进而提升整个系统的稳定性和动态范围。
在本发明实施例中，零反射网络可以选取不同位置，则基于零反射网络的外差式辐射计架构和基于零反射网络的直检式辐射计架构分别有N种形式。
更进一步地，辐射计包括M个零反射网络，分别记为第一个零反射网络、第二个零反射网络、……以及第M个零反射网络，其中任一零反射网络皆可添加在第N级低噪声放大单元之后或即第i级和第i+1级低噪声放大器之间，可有2N-1种衍生架构。通过将各个传统级间50Ω匹配网络用零反射网络替代，可以消除各级间反射，从而进一步提高系统稳定性和线性度；其中，1≤M≤N，1≤i≤N-1。
更进一步地，零反射网络包括：L级依次串联连接的匹配电路，以及与L级匹配电路并联连接的阻性元件；所述匹配电路用于将输入的复数阻抗在通带内变换至端口阻抗与阻性元件的并联阻抗值，在阻带内变换至趋于无穷大；所述阻性元件用于将带外产生的无穷大阻抗进一步变换至匹配状态且将吸收的反射信号耗散，所述阻性元件的阻值在输出端口的阻抗值附近选取，通过并联将带外趋于无穷大的阻抗匹配至输出端口阻抗，从而实现了输出端口在全频段内均无反射信号；其中，L表示匹配电路的个数，取值为大于等于1的正整数。
其中，匹配电路包括：设置在前级的匹配单元，以及设置在后级且复用的阻抗变换器；匹配单元用于实现通带内的复数阻抗匹配；阻抗变换器被复用并在带外产生趋于无穷大阻抗，无穷大阻抗通过阻性元件变换至匹配状态，并通过阻性元件将吸收的反射信号耗散。
更进一步地，阻抗变换器采用一个串联的电容或串联一段两端开路的耦合传输线的容性结构实现。
更进一步地，辐射计可以分为外差式辐射计和直检式辐射计，当辐射计为外差式辐射计时，在上文所述的结构上还包括混频器，混频器位于辐射计的最后一级，用于将经过放大的射频信号和本振信号混频并输出中频信号。当辐射计为直检式辐射计时，在上文所述的结构上还包括检波器，检波器位于辐射计的最后一级，用于将放大的射频信号转换为直流信号并输出。
进一步地，在所述基于零反射网络的外差式辐射计架构中，所述零反射网络可位于所述多级低噪声放大器和所述混频器之间，即第N级低噪声放大单元之后，也可位于所述多级低噪声放大器级间，即第i级和第i+1级低噪声放大器之间；所述零反射网络可替代传统50Ω匹配网络，作为单级低噪声放大器的输出匹配网络或输入匹配网络，构成零反射低噪声放大器，吸收来自后级电路或前级电路的反射信号；基于零反射网络的直检式辐射计架构同理。其中，1≤i≤N-1。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提出的零反射网络为无源网络，由集中元件和传输线结构构成，与环形器、衰减器和正交耦合器相比，更易于集成、电路尺寸更小、功耗更低。
(2)本发明将零反射网络无缝地集成在辐射计中，可直接作为前级放大单元的输出匹配网络或后级放大单元的输入匹配网络构成零反射低噪声放大器，无需添加额外50Ω匹配网络用作级间匹配，进一步减小了电路尺寸和损耗，提高了整个辐射计系统的增益。
(3)本发明提出的辐射计采用零反射网络作为匹配网络和细说网络，实现带内阻抗匹配和带外反射信号吸收，增大了吸收级间反射信号的带宽，吸收范围覆盖全波段，极大地增强了前后级有源器件的线性度和稳定性，且不增加额外的噪声系数，从而提升了整个辐射计系统的稳定性和动态范围。
附图说明
图1是现有基于铁氧体环形器的外差式辐射计架构图；
图2是现有基于衰减器的外差式辐射计架构图；
图3是现有正交耦合器的外差式辐射计架构图；
图4是本发明提出的基于零反射网络的外差式辐射计架构图；
图5是本发明提出的基于零反射网络的外差式辐射计架构而衍生的架构图，其中零反射网络作为任意级放大单元的输出匹配网络；
图6是本发明提出的基于零反射网络的外差式辐射计架构而衍生的架构图，其中零反射网络作为任意级放大单元的输入匹配网络；
图7是本发明提出的基于零反射网络的外差式辐射计架构而衍生的架构图，其中零反射网络不止一个，作为多个放大单元的输出匹配网络；
图8是本发明提出的一种可行的零反射网络结构；
图9是零反射网络作为多级低噪声放大器输出匹配网络的S参数仿真结果；
图10是||cout|-rout|对通带和阻带的计算结果图；
图11是谐波幅度对辐射计线性度的影响图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
图4是一种基于零反射网络的外差式辐射计，属于本发明提出的基于零反射网络的辐射计架构的一种，包括：多级低噪声放大器、零反射网络和混频器；
多级低噪声放大器包括：N个级联的单级低噪声放大单元，依次记为第一级低噪声放大单元、……、第i级低噪声放大单元、……和第N级低噪声放大单元，用于将射频输入信号进行放大，给系统链路提供足够的增益；
其中，N表示单级低噪声放大单元的个数，i表示单级低噪声放大单元的序号，N为大于等于2的整数，1≤i≤N
单级低噪声放大器包括输入匹配网络和放大单元，其中级间匹配网络采用传统50Ω的匹配网络，用于将带内输入阻抗进行匹配。
零反射网络包括：L级依次串联连接的匹配电路，以及与L级匹配电路并联连接的阻性元件；匹配电路用于将低噪声放大单元输出端的复数阻抗在通带内变换至端口阻抗与阻性元件的并联阻抗值，在阻带内变换至趋于无穷大；阻性元件用于将带外产生的无穷大阻抗进一步变换至匹配状态且将吸收的反射信号耗散，阻性元件的阻值在输出端口的阻抗值附近选取，通过并联将带外趋于无穷大的阻抗匹配至输出端口阻抗，从而实现了输出端口在全频段内均无反射信号；其中，L表示匹配电路的个数，取值为大于等于1的正整数。
零反射网络作为多级低噪声放大器的输出匹配网络连接在第N级低噪声放大单元的输出端，可以将带内阻抗进行匹配，同时吸收来自后级混频器的带外反射信号，从而减少交调产物的引入，降低增益波动，从而提高了低噪声放大器和混频器的稳定性和线性度，另外也提高了混频器的转换增益。
在本发明实施例中，匹配电路包括：设置在前级的匹配单元，以及设置在后级且复用的阻抗变换器；匹配单元用于实现通带内的复数阻抗匹配；阻抗变换器被复用并在带外产生趋于无穷大阻抗，所述无穷大阻抗通过阻性元件变换至匹配状态，并通过阻性元件将吸收的反射信号耗散。
其中，匹配电路将通带内的复数阻抗匹配至所述输出端口阻抗与阻性元件的并联阻值，以实现通带内信号的阻抗匹配。
具体地，匹配电路根据输入复数阻抗在不同频率下的数值，可以选用并联接地微带传输线后串联电容或串联电感后串联电容的结构来实现每级匹配。
作为本发明的一个实施例，阻抗变换器可以采用一个串联的电容或串联一段两端开路的耦合传输线的容性结构实现。
其中，阻抗变换器同时决定了带内信号和带外信号的阻抗，阻抗变换器的容值满足将带外阻抗至无穷大的同时保证通带内的阻抗匹配。
在本发明实施例中，混频器位于基于零反射网络的外差式辐射计架构的最后一级，将射频(RF)信号和本振(LO)信号进行混频，输出中频(IF)信号。
进一步，如图5和图6所示，零反射网络可取代传统50Ω级间匹配网络，直接作为第i级放大单元的输入匹配网络或输入匹配网络，构成第i级低噪声放大器，即零反射低噪声放大器。
更进一步，零反射网络可以不止一个，如图7所示，包括M个零反射网络，分别设置在各个低噪声放大单元的输出端。任一零反射网络皆可设置在第N级低噪声放大单元或第i级低噪声放大单元与第i+1级低噪声放大单元之间，共有(2N-1)种衍生架构；其中，1≤M≤N，1≤i≤N-1。任意一个放大单元的输出匹配网络都由零反射网络替代，构成零反射低噪声放大器。零反射网络同时作为反射信号吸收网络，吸收来自后级低噪声放大器和混频器的反射信号，同样能起到提高器件稳定性和线性度的作用，从而提升整个辐射计系统的稳定性和动态范围。
为了更好地说明本发明提出的基于零反射网络的辐射计的性能优势，下面以本发明提供的一款基于零反射网络的V波段外差式辐射计为例，电路架构如图4所示，主要从零反射网络对吸收带宽的拓展，以及对辐射计稳定性和线性度提升的角度进行分析说明。
本发明提供的零反射网络结构如图8所示，由带内匹配网络和反射吸收网络构成，其中带内匹配网络包含两级匹配电路，串联传输线TLR1和串联电容CR1构成第一级，并联传输线TLR2和串联电容CR2构成第二级，作用是替代传统50Ω的输出匹配网络，将前级低噪声放大器进行带内阻抗匹配。另外第二级的串联电容CR2同时在反射吸收网络中，将带外的阻抗变换为无穷大，结合并联有耗电阻RA，实现全频段的匹配，从而可以消除端口的反射信号。对上述零反射网络进行S参数仿真，仿真结果如图9所示，可以看出，在0-110GHz的频率范围内，带外回波损耗S22小于-20dB，带内回波损耗也小于-10dB，表明全频段均为阻抗匹配状态，输出端口处的反射信号均被吸收，吸收带宽达110GHz以上。
从稳定性方面分析，传统的低噪声放大器由于阻带内失配的输出端回波反射S22，会导致其稳定性降低，易出现低频振荡等问题。而采用无带宽限制的零反射网络作为低噪声放大器的输出匹配电路，可在全频段内吸收来自后级混频器的多重反射信号，得到在全频段内均为匹配的S22，实现绝对稳定。因此，对于基于零反射网络的低噪放，当S22＝0，输入端回波反射|S11|<1时，其输出稳定性圆的公式可以表示为：cout和rout分别代表输出稳定性圆的圆心和半径。对于带内信号，由于放大器的反向隔离|S12|大于正向增益|S21|,使得||cout|-rout|大于1，满足绝对稳定条件，而对于带外信号，由于|S21|的衰减，使得||cout|-rout|同样大于1，满足绝对稳定条件，因此，可在全频段内实现绝对稳定。更具体地，可以一组典型的低噪放S参数为例，假定反向隔离S12为-30dB，带内S11为-10dB,带外S11为-0.1dB，带内增益S21为20dB，带外S21为-10dB，当输出无反射时，即S22＝0，图10给出了计算的||cout|-rout|结果图，可见在全频段内均为绝对稳定。另一方面，由于反射信号的消除，后级混频器的稳定性也得以增强。根据混频器输出端口的反射系数公式可知当输入端口无反射信号时，公式中的Γs-mix可视为0，因此，公式可以进一步简化为由于0<|S22 RF -mix|<1，因此，混频器的输出反射系数始终小于1，满足绝对稳定条件。
从线性度方面分析，对于外差式辐射架构，假设一个带外的正弦干扰信号与所需的正弦RF信号同时输入，被低噪声放大器进行放大，然后进入混频器，最后输出的IF信号可表示为：
其中αi(i＝1,2,3)表示非线性系数，ARF和AINT分别表示RF信号和干扰信号的电压幅度，ωRF和ωINT分别表示RF信号和干扰信号的频率。进一步，可以得到辐射计系统的输入功率1dB压缩点公式从公式可以看出，IP1dB随着干扰信号振幅的增加而减小，表明随着带外干扰信号增大使得系统线性度恶化。与传统外差架构相比，本架构中采用的零反射网络能够吸收级间反射信号，减小干扰信号幅度从而改善系统线性度。另外如果考虑RF信号和LO信号及其谐波引入的交调产物而造成的杂散影响，则输出的IF信号可表示为：
其中ALO和ωLO分别表示LO信号的电压幅度和频率，ARF(n)和ALO(m)分别表示RF信号的n次谐波和LO信号的m次谐波的电压幅度。这说明外差辐射计的IF输入不仅受RF和LO信号的影响，而且还与它们的谐波有关。图11表明了谐波幅度对辐射计线性度之间的影响，可以看出，谐波使得IP1dB点从理想的A点向恶化的B点转变，系统线性度降低。与传统外差架构相比，本架构中采用的零反射网络能够在混频器输入端有效地吸收这些谐波成分从而改善系统线性度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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