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文 |稻名泗
编辑 |稻名泗
前言：
高频电路在辐射元件与数字信号处理单元之间处理微波信号是必要的。
尽管模拟-数字转换器不断提高其频率和功率处理能力，但它们仍然无法检测非常低功率的射频信号或产生高射频功率。
因此引入微波电路来执行高频处理，使数字转换器和随之的数字信号处理单元更容易处理射频信号。这样的高频处理功能包括：放大、信号合并或分割、信号路由、相位和幅度调制、信号测量，最后是频率生成和转换。
将这些功能进行分类，可以将它们分为前端或后端功能。前端通常与辐射元件相连，实现低噪声或高功率放大，以及某种形式的信号路由、相位和幅度调制。
相比之下，后端微波电路与数字转换器相连，因此提供所有功能，使得射频信号可以有效地传递到数字部分。这些功能通常更复杂，包括信号特征提取、频率生成和转换等。
前端系统及其电路
在大多数情况下， 这些子系统提供双模式操作：接收模式和发送模式。 在接收模式下，输入的射频信号非常微弱，需要将其功率放大到适当的水平，同时不会增加过多的噪声或扭曲射频信号。
在发送模式下，出去的射频信号必须被提升到尽可能高的值，以确保适当的传输水平。在这种情况下，也必须限制失真，以保留射频信号所携带的信息。
信号路由通常是必要的，以实现数字部分与选定天线之间所需的射频路径。
天线前端被用于处理来自天线端口的接收信号，使其适用于后续的子系统。
天线前端电路的主要功能包括：低噪声放大、抵御强干扰、在存在多个输入端口时的信号路由，以及必要时对其进行子带划分。
天线前端
天线前端的第一个、最左侧的部分包含保护和信号路由功能。通过使用一个限幅电路（来实现对强干扰信号的保护。
限幅器必须是第一个电路，以保护后续组件免受可能损坏敏感电路的强干扰信号。接下来是信号路由部分，在存在多个输入时是必要的。
信号路由完成后，强干扰被消除，然后信号被输入到频率分复用器，随后进入低噪声放大级。
频率分复用器是在以下阶段操作于小于总射频输入带宽的子带时插入的。这些子带被称为低频带和高频带。
单个子带可以覆盖十年的带宽，使得模块的总带宽超过十年。最后低噪声放大器是天线前端电路的关键组件。
天线前端典型射频性能：增益和噪声系数。工作带宽为0.5–18 GHz。
增益显示在左边的坐标轴上，而噪声系数显示在右边。以下是一些观察结果：首先输入分复用器在约2.5 GHz附近的效应很明显，这是因为将射频应用于一个输入端，然后再分复用成两个子带导致的。
低频带和高频带中相对较高的噪声系数主要是由于在低噪声放大器之前的所有被动和保护电路造成的损耗，合理地估计这些被动结构会导致4/5 dB的损耗。
此外将低噪声放大器的噪声系数相加，在低频带中导致5 dB，而在高频带中典型的噪声系数为8/10 dB。
在高频带子带中更明显的增益波动是由于微波频率下电气长度较长的互连导致的。通过自己设计关键电路，可以获得更优秀的噪声系数性能。
低噪声放大器
低噪声放大器是任何微波接收系统中普遍存在的组件。低噪声放大器的作用是增加输入信号的功率，通常这个功率非常低，特别是在远距离通信中，同时又不能增加过多噪声，否则后续阶段无法处理信号。
低噪声放大器的主要特性是增益和噪声系数。其次但仍然重要的参数是线性度、功耗和端口匹配。
所有这些参数都受到最大工作频率、带宽和半导体技术的影响。可以理解的是，随着频率和带宽的增加，性能会有所下降。
理想情况下，增益应该高，而噪声系数应该尽量低。在10 GHz以下，30 dB的增益和小于1.0 dB的噪声系数是适当的数值，当电路使用III-V化合物半导体实现时，可以达到这些数值。在10 GHz以上，必须接受噪声系数较大和增益较小的退化。
低噪声放大器的噪声系数和增益对系统性能的影响可以通过Friis公式估计，该公式计算系统的级联噪声系数，其取决于每个级别的噪声系数和增益。
该公式的一个重要结论是无线接收机的整体噪声系数主要由其第一个放大级的噪声系数决定，后续级对信噪比的影响较小。
因此在接收机中，第一个级别的放大器应该是低噪声放大器。否则必须接受噪声系数和抗干扰性之间的权衡。
关于半导体材料，GaAs在性能和技术可靠性之间有一个有趣的权衡。它在噪声系数方面稍差一些，但它的优点是能够处理更大功率，因此在预计会出现强信号的接收机中比较适用。
低噪声放大器必须满足线性、噪声、功率和互调等要求。通常线性性能和噪声性能需要相反的设计选择，例如为了降低噪声而进行匹配，或者为了增益而进行匹配。
同时满足这些要求并使它们协调一致并不简单。幸运的是许多设计策略已经被描述过，一些策略可以追溯到1970年代，也有一些较新的策略。
在后者中，提出了一种全面的设计策略，同时考虑了线性和噪声的要求。大多数这些策略的带宽有限，因为反馈是在中心设计频率上计算的。
对在非常不同频率下运行的GaAs 低噪声放大器进行了调查。根据低噪声放大器的工作频率，指出了最适合的设计技术。
另一方面，还有其他设计拓扑，主要是分布式的，能够获得超宽带性能。其中显示了在2 GHz至18 GHz之间工作的十年频段低噪声放大器的电路原理图和微观照片。
信号切换电路
微波系统中的信号切换电路用于实现信号路由，从而进行路径选择。通常它们有一个共同的输入端口和N个可能的输出端口，但在特定时刻只能选择一个输出端口。
切换装置可以是二极管或场效应晶体管，像往常一样，每种可能性都有其优缺点。二极管切换具有更好的损耗性能；即使在十分之一的GHz，其损耗也可以是分贝级的。相反场效应晶体管切换非常损耗，甚至在10 GHz以下也很容易达到1-2 dB的插入损耗。除了这个非常重要的参数，所有其他方面都倾向于支持场效应晶体管。
首先场效应晶体管是电压控制型，由于栅极端子的非常高阻抗，不需要消耗任何直流功率。相反二极管在低损耗状态下需要大电流，因此在二极管上会有一些直流功率损耗。
其次场效应晶体管具有更快的切换时间，即在接收到适当的外部命令后选择不同输出所需的时间。场效应晶体管切换的时间可以低至几纳秒。
二极管切换可能需要几十纳秒才能改变其状态，因为需要改变偏置电流的方向，考虑到控制部分和二极管本身的杂散电容，这不是立即完成的。
最后场效应晶体管切换更为稳健和线性，尤其是如果采用宽禁带半导体如GaN。它们可以承受几分之一瓦的功率，而二极管开关很少能在几瓦以上的输入功率下幸存。
隔离度，即未选择路径的非期望泄漏，是切换器中的另一个重要参数。然而这一性能主要取决于所选的切换器拓扑，而不是所选的技术。
两种技术的频率特性是相当可比的，特别是当使用小栅长晶体管时。在两种情况下，二极管和场效应晶体管，在50 GHz甚至更高的频率下，都能够实现可接受的性能。
因此选择场效应晶体管和二极管切换器时，应考虑损耗、功率处理和切换时间要求。
已经提出和验证了几种超宽带切换器拓扑。通常在切换电路中插入电感器，以使二极管或场效应晶体管的断态寄生电容谐振。
还插入了一个电阻器，以获得更大工作带宽下更均匀的性能。两个补偿电感器和电阻器分别标记为L1/R1和L2/R2，而两个补偿场效应晶体管分别标记为Q1和Q2。
GaN-HEMT技术在微波功率切换应用中表现出良好的成熟度，因此正在成为特定高端应用的参考技术。
发射和接收模块
发射和接收模块是大多数通信设备、雷达和许多其他电子系统的关键组件。它们的作用是在发送和接收两种模式下处理射频信号。
通常接收模块以半双工方式运行，即在某个时刻它要么处于接收模式，要么处于发送模式，因此要么处理接收到的信号，要么处理要发送的信号。
为了使接收模块的尺寸尽可能小，一些电路在发送和接收模式下都会起作用，因此需要独立于其到达的端口处理信号。
这些组件包括开关、衰减器和相移器。顺便提一下，相移器在执行波束指向的系统中是必需的，在其他情况下可以避免使用。
衰减器则可以用于多种目的：它可以用于防止强射频信号泄漏到后续电路或用于在相控阵中获得波束幅度调整。
关键组件包括已经描述的低噪声放大器和下面章节中将要描述的高功率放大器。另一个关键组件是与天线端口连接的开关。
这个元件的关键特性是具有非常低的损耗。高损耗会导致接收和发送信号都无法接受的严重降级。
在过去对于高频应用，这个元件通常是庞大的铁氧体环行器。随着GaN半导体的出现，其拥有优越的功率处理能力，MMIC技术已成为标准。
最后在接收路径中，增益控制部分用于减弱强入射信号。在发送模式下很少使用它，因为在大多数应用中，目标是尽可能多地发送射频功率。
在电子战系统中，因其处理宽带信号以对抗不同的发射源，接收模块的最大到最小工作频率比可以高达6比1。
更高的比率变得不可行，因为增加带宽会导致性能下降，并且在任何情况下， 设计具有更宽带宽的定向天线也是非常具有挑战性的。
对于其他航空航天和航空电子应用，工作带宽通常为中心工作频率的20-40％。
典型的输出功率约为5瓦，而接收增益平均为20 dB。通过在新的多层技术中采用多功能芯片和ASIC组件集成，实现了这样的性能，从而降低了成本，节省了空间，延长了生产寿命并提高了集成级别。
在传输模式下实现了高输出功率，使用了一个4瓦的宽带放大器并尽量减少了环行器的损耗。
高功率放大器
高功率放大器是任何微波传输系统的关键组件，其性能可能对最终的系统架构产生巨大影响。
它的作用是在不产生失真产生的不良信号的情况下提升发送信号的功率。同时高功率放大器应该是高效的，即能够将直流供电提供的功率转化为射频功率。
从技术的角度来看，它们至少有两种变体：真空管和固态电路。随着半导体技术的进步，真空管正在成为传统产品。
尽管如此，当要传输的功率在几千瓦级别时，它们仍然提供了有价值的解决方案。通常，这种要求与少数航空电子和航天应用有关。
而固态器件在鲁棒性、尺寸、可靠性、性能和成本方面的优势是如此之大，以至于每当固态替代方案变得可行时，它们很快就会被系统工程团队采用。
自从GaN于新千年初首次出现在研发实验室以来，它已经发展了很长一段路，现在已成为标准半导体，即使在可靠性和工艺重复性是主要关注的ADS系统中也是如此。
GaN相对于其他III-V半导体在高功率和高频系统中的优势在于其能够在较小的尺寸下提供大量的射频功率，几乎没有或没有热管理问题。
特别是最后这一特性使GaN对于经常在恶劣热机械环境中运行的ADS应用非常有吸引力。
MMIC GaN 高功率放大器能够在低微波频率下提供数百瓦的功率，在微波频率下提供数瓦的功率，甚至在毫米波下也能提供数瓦的功率。
关于高功率放大器设计的科学文献几乎是无穷无尽的，在这里我们只给出一些设计拓扑的极简提示。通常高功率放大器是通过在高功率放大器的输出端组合一些场效应晶体管提供的功率来合成的。
此外可以应用合适的技术来增加输出功率和效率。这些技术依靠合成输出阻抗，以在工作频率和更高阶谐波处保持最佳状态。可以想象这可能会很复杂，特别是在宽带应用中。
如果要寻求非常大的带宽，则其他电路拓扑会变得有用。例如分布式放大因其超宽带频率响应而被广泛认可。
结语：
超宽带微波电路在现代航空航天、国防和安全应用的电子系统中起着至关重要的作用。
它们被插入到合适地传输射频信号到和从辐射元件，并执行一些初步信号处理：相位和幅度控制、频率转换以及测量一些基本信号特性。
为了获得最佳性能，需要仔细利用拓扑和技术。在过去设计一个电路来实现一个功能是应用“分而治之”的范例，而如今我们正在寻求“一体化”高度集成的解决方案。
当然这种集成是以更高的电路综合和分析复杂性为代价的。