專利名稱：用于無源輻射測量成象系統(tǒng)的直接檢測接收機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于源微波及毫米波輻射測量成象系統(tǒng)的單塊式(monolithic)、低噪聲、同步直接檢測接收機，尤其涉及一種為實現(xiàn)低噪聲圖形帶有前端低噪聲放大器(LNA)的低噪聲平衡開關放大器(BSLNA)，并提供足夠的增益以使因該開關放大器電路的損耗而造成的輸入噪聲圖象退化為最小，該開關放大器電路可單塊地和高電子遷移率晶體管(HEMT)二極管集成以構成適用于焦面陣列成象系統(tǒng)的直接檢測接收機。
輻射測量成象系統(tǒng)在技術上是廣泛了解的。在美國專利5,438,336中公開這種系統(tǒng)的一個例子，該專利已轉讓給和本發(fā)明的受讓人相同的受讓人，從而在此作為參考文獻。這種輻射測量成象系統(tǒng)是無源成象系統(tǒng)，用于在所謂的焦面成象陣列的視場中感測微波和毫米波輻射，例如熱輻射。感測到的輻射轉換成輸出信號以構成發(fā)射該輻射的物體的圖象。因為微波輻射和毫米波輻射對環(huán)境障礙，例如霧、霾、小雨、灰塵和煙，僅衰減有限的程度，這些成象系統(tǒng)在各種商業(yè)和軍事應用中是有用的。例如，如在美國5,202,692中所公開的，這種輻射測量系統(tǒng)已知例如用于飛機導航。還已知這種成象系統(tǒng)用于在低能見度條件下輔助飛機著陸，并且應該對船舶在霧天和其它各種低能見度條件下輔助港口及河道領航是有用的。這種系統(tǒng)還可用于在低能見度條件下提供作戰(zhàn)目標的圖象，并可應用于美國5,198,776號專利中概括公開的其它各種情況下。
已知這些輻射測量成象系統(tǒng)利用不同類型的接收機檢測微波及毫米波輻射。例如，已知直接檢測接收機和外差式(heterodyne-type)接收機兩種接收機。例如，美國5,202,692號專利的圖4和圖5圖示說明和輻射測量成象系統(tǒng)一起使用的已知外差式接收機。遺憾的是，這樣的外差式接收機需要一個本機振蕩器，其增加了接收機硬部件的數(shù)量并且還增大總功率要求。另外，已知本機振蕩器是相對體積大的，從而通常使它們不適用于單塊集成。
從而，已知使用直接檢測接收機可免除對本機振蕩器的需要。在美國4,557,272號專利中公開這種直接檢測接收機的一個例子。該系統(tǒng)利用所謂的狄基(Dicke)開關對來自未知源的輻射和基準信號進行比較。狄基開關作用是使按恒速把接收機的輸入在接收來自未知源的電磁輻射的天線和已知源之間進行切換。接著放大并檢測轉接的或調制的信號。在1946年7月的The Review of Scientific Instruments雜志卷17第7期由R.H.Dicke所著的“微波頻率下的熱輻射測量”一文中狄基開關得到詳細討論。利用狄基開關的直接檢測接收機不適用于單塊集成。在美國5,149,198號專利中概括地討論了采用狄基開關的直接檢測接收機的其它缺點。
還已知用于輻射測量成象系統(tǒng)的采用所謂的狄基開關的替換物的直接檢測接收機。在美國5,149,198號專利中公開這種系統(tǒng)的一個例子。在這份專利中公開的所謂狄基開關的替換物包括一對定義一對輸入端口和一對輸出端口的混合環(huán)。輸入端口適于和要檢測的輻射源以及基準源相連接。在輸入端口和輸出端口之間建立兩條并行的通路。在一條通路上，一對放大器和一個0-180°的移相開關連接，該移相開關又和一個輸出端口連接。在另一條通路上，在輸入端口和輸出端口之間連接著兩個放大器。這份專利所說明的這種狄基開關替換物的一個優(yōu)點在于，信號在切換前得到放大，從而提高了輻射計的信噪比。但是，在這種結構下，混合環(huán)引起的損耗是相當明顯的，其勢必會降低接收機的溫度靈敏性。
本發(fā)明的一個目的是解決現(xiàn)有技術中的各種問題。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種適用于整體集成的直接檢測接收機。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種用于輻射測量成象系統(tǒng)的帶有增強的系統(tǒng)噪聲性能的直接檢測接收機。
簡言之，本發(fā)明涉及用于無源微波和毫米波輻射測量成象系統(tǒng)的直接檢測接收機。該接收機包括一個低噪聲平衡開關放大器(BSLNA)。在BSLNA的前端接入一個前端低噪聲放大器(LNA)以得到低噪聲圖形，而且該前端放大器提供足夠的增益以使由BSLNA損耗引起的輸入噪聲圖形退化為最小。一個高電子遷移率晶體管(HEMT)二極管充當功率檢測器。為了整體集成相協(xié)調地加工處理前端放大器、BSLNA和二極管。
根據(jù)下述說明及附圖可容易地理解本發(fā)明的這些和其它的目的。其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的直接檢測接收機的方塊圖；以及圖2是按照本發(fā)明的直接檢測的方塊圖，其按七級低噪聲開關放大器和檢波器實現(xiàn)。
參見圖1，圖中表示根據(jù)本發(fā)明的一種直接檢測接收機的方塊圖。該概括地用參考標號20標明的直接檢測接收機包括一個前端低噪聲放大器(LNA)21、一個低噪聲平衡開關高增益放大器22，該高增益放大器22包括一個低噪聲放大器24和一個開關26，開關26示成為一個雙刀單擲開關。前端LNA 21的輸出和開關26的一個刀極連接。開關26的另一個刀極和來自輸入阻抗31的基準信號連接。開關26的公用端和放大器24連接。放大器28的輸出和二極管30連接，以用于功率檢波。二極管30可以實現(xiàn)成高電子遷移率晶體管(HEMT)二極管，這種二極管固有地具有高1/f噪聲，這有利于接收機20的整體集成。二極管30的輸出端和同步電路32連接，同步電路32借助時鐘34把輸出信號和開關26的切換同步起來。
本發(fā)明的一個重要方面是前端LNA 21提供足夠的增益以使由于開關放大電路(即BSLNA)的損耗造成的輸入噪聲圖形退化最小。BSLNA22是一個高增益放大器。它在中等射頻頻率上放大和調制輸入信號以抑制1/f噪聲對功率檢測器二極管30的影響。BSLNA 22輸出端處(即放大器28的輸出端處)的調制信號施加到功率檢波器30，接著再施加到同步或解調電路32，以生成對應于輸入景物輻射測量溫度的輸出電壓。
參見圖2，直接測量接收機20可以實現(xiàn)成一個整體的多級、低噪聲放大檢測器，它包括BSLNA 22(在虛框內)、前端LNA 21以及功率檢波器二極管30。BSLNA用四個3分貝90°混合耦合器38、40、42和44、二個0°-180°反射移相器46及48以及七個低噪聲高增益放大器50、52、54、56、58、60及62實現(xiàn)。LNA 21實施成為一個二級放大器，在圖2中用參考標號21a和21b標示。
感興趣的毫米波或微波信號耦合到輸入端口66，然后再耦合到前端LNA 21a和21b的輸入端。輸入端口36適用于和不同類型的天線元件(未示出)連接。
如熟練的技術人員周知，混合耦合器38、40、42和44可以是Lange耦合器或者可是支線耦合器。在Steven A.Maas所著的“Nonlinear Microwave Circuits(非線性微波電路)”(1988年ArtechHouse出版社出版)一書中(第五章，209-230頁)詳細討論了該類的不同形式的混合耦合器。例如在美國5,149,198號專利中公開的混合環(huán)也可用作為混合耦合器38、40、42和44。如所示，每個混合耦合器38、40、42和44包括兩個輸入端口和兩個輸出端口。每個混合耦合器38、40、42和44的輸入端口中的一個端口和基準信號連接，例如分別和來自負載電阻68、70、72和74的阻抗匹配噪聲信號連接。
混合耦合器38把來自輸入端口 66的輸入信號以及來自負載電阻68的基準信號耦合到兩條并行通路，即第一通路76和第二通路78中。尤其，混合耦合器38把來自輸入端口66的輸入信號在其原有相位下施加到第一通路76，并且把該輸入信號按相對于施加給第一通路的信號90°異相地施加到另一條通路78。類似地，來自負載電阻68的基準信號被分離成一個同相信號和一個與該基準信號相差90°的信號，該同相信號和來自輸入端口66的異相信號一起施加到通路78，而該與基準信號相差90°的異相信號和來自輸入端口66的同相信號一起施加到通路76。
通路76和78中的每條通路各包括一個低噪聲放大器50和52和一個0°-180°反射移相器46和48。移相器46和48包括一個3分貝90°混合耦合器，其運行方式和上面說明的混合耦合器38的運行方式相同。移相器46和48還包括開關裝置(未示出)，例如如1995年5月12日申請的美國專利申請08/444,555中詳細公開的開關裝置，該專利申請從而作為本文的參考文獻。開關裝置調制通路76和78上的信號。尤其，通過組合兩條通路76和78里的同相(0°)信號或異相(180°)信號，可實現(xiàn)開關功能。
如上述提及的專利申請中所概括地說明的那樣，向開關裝置施以控制信號以控制移相器46和48的輸出，從而用基準信號改變或調制來自輸入端口36的輸入信號。請重新參見圖1，向開關裝置施加例如100HZ方波的時鐘34以控制開關動作。
第二混合耦合器40把來自通路76和78的輸出以及來自輸入阻抗70的基準信號耦合到串聯(lián)的高增益、低噪聲緩沖放大器54、56和58上。緩沖放大器54、56和58的輸出耦合到耦合器42，來自輸入電阻72的基準信號也進入耦合器42，耦合器42形成兩條并行通路80和82。并行通路80和82各包括一個低噪聲、高增益放大器60和62，這二個放大器的輸出再和來自輸入電阻74的基準信號一起耦合到第四耦合器44中。耦合器44把來自通路80和82的信號耦合到輸出端口84，接著進入二極管檢波器30，后者把來自BSLNA 22的射頻信號轉換成供信號處理的可比較的直流電平。
同步電路32把二極管檢波器30的信號處理和BSLNA 22的切換同步起來。如狄基開關輻射計中普遍應用的那樣，同步電路提供對二極管檢波器30的檢波輸出的同步檢測。狄基開關輻射計是由R.H.Dicke首先在1946年7月的“The Review of Scientific Instruments”的卷17第7期中的“微波頻率上熱輻射測量”一文中說明的，此文從而作為本文的參考文獻。可以用模擬或數(shù)字信號處理器實現(xiàn)同步電路。
如上所述，公開一種獨特的和簡單的實現(xiàn)用于輻射測量成象的同步及總功率直接檢測接收機，這種接收機適宜于集成在一個單塊的微波集成電路(MMIC)里。如上面所討論的那樣，可用HEMT二極管實現(xiàn)二極管30，從而為單塊集成接收機提供加工處理的相容性。在BSLNA 22之前設置低噪聲放大器21減小了耦合器們的損耗對系統(tǒng)噪聲的影響并且改善了接收機的溫度靈敏性。
很明顯，根據(jù)上述原理對本發(fā)明的許多修改和改變是可能的。從而，應該理解，在附屬權利要求書的范圍之內可以以其它不同于上面具體說明的方式實施本發(fā)明。
權利要求
1.一種有于無源輻射測量成象系統(tǒng)的直接檢測接收機，該接收機包括一個輸入端口，適用于接收微波或毫米波輸入信號；一個和所述輸入端口耦合的前端低噪聲放大器；切換所述前端放大器的輸出信號及基準信號的開關裝置，以調制所述輸入信號并且生成射頻(RF)信號；以及一個檢波器，用于生成作為輸入信號的函數(shù)的輸出電壓。
2.如權利要求1所述的直接檢測接收機，其中所述前端放大器、開關裝置和檢波器在加工處理上是單塊集成相容的。
3.如權利要求1所述的直接檢測接收機，其中所述檢波器是高電子遷移率晶體管(HEMT)二極管。
4.如權利要求1所述的直接檢測接收機，其中所述開關裝置包括開關放大器電路。
5.如權利要求4所述的直接檢測接收機，其中所述開關放大器電路包括一個或多個預先確定的耦合裝置、一個或多個移相器以及一個或多個低噪聲放大器。
6.如權利要求5所述的直接檢測接收機，其中所述預先確定的耦合裝置是混合耦合器。
7.如權利要求5所述的直接檢測接收機，其中所述預先確定的耦合裝置是Lange耦合器。
8.一種開關放大器電路，包括一個輸入端口；第一耦合裝置，它和所述輸入端口耦合并且形成兩條輸入通路，每條輸入通路各包括一個移相器；第二耦合裝置，它和所述移相裝置耦合，所述移相裝置適用于接收用于同步所述移相裝置的時鐘信號；一個或多個緩沖放大器；第三耦合裝置，所述一個或多個緩沖放大器耦合在所述第二耦合裝置和所述第三耦合裝置之間，所述第三耦合裝置形成兩條輸出通路，每條輸出通路各包括一個或多個緩沖放大器；以及第四耦合裝置，用于把所述輸出通路耦合到一個輸出端口。
9.如權利要求8所述的開關放大器電路，其中所述第一、第二、第三和第四耦合裝置是混合耦合裝置。
10.如權利要求8所述的開關放大器電路，其中所述第一、第二、第三和第四耦合裝置是Lange耦合裝置。
11.如權利要求8所述的開關放大器電路，還在所述第一耦合裝置的前面包括一個前端放大器。
12.如權利要求11所述的開關放大器電路，還包括一個二極管，其和所述輸出端口耦合以構成一個直接檢測接收機。
13.如權利要求12所述的開關放大器電路，其中所述二極管構成為一個HEMT二極管。
14.如權利要求12所述的開關放大器電路，其中所述開關放大器電路、所述二極管和所述前端放大器對單塊集成的加工處理是相容的。
全文摘要
一種用于無源微波及毫米波輻射測量成象系統(tǒng)的直接檢測接收機。該接收機包括一個平衡開關低噪聲放大器(BSLNA)。在BSLNA的前面接入一個前端、低噪聲放大器(LNA)以得到低噪聲圖形并提供足夠的增益以使由BSLNA的損耗造成的輸入噪聲圖形退化為最小。一個高電子遷移率晶體管(HEMT)二極管充當功率檢波器。對于單塊集成,前端放大器、BSLNA和二極管在加工處理上是相容的。
文檔編號H03F3/60GK1176538SQ9711733
公開日1998年3月18日 申請日期1997年8月11日 優(yōu)先權日1996年8月13日
發(fā)明者崇－文·丹尼斯·洛, 巴里·R·阿倫, 厄里克·W·林, 吉·S·唐, 保羅·淑·崇·李 申請人:Trw公司