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摘要：某型接收前端在整机联调中出现增益测试指标不合格故障。为解决增益不合格问题，建立故障树，按照信号流通走向逐一进行排查，深入分析了导致产品性能不达标的多个可能因素，为查找和分析类似故障提供参考。
关键词：接收前端；增益；放大器；混频
Keywords：receive front-end；gain；amplifier；mixer
0 引言
接收前端是某型飞机火控雷达系统中的微波模块，安装于飞机机头雷达舱中。该产品由精密PIN电调衰减器、低噪声场效应放大器、带PIN电调衰减的镜像抑制混频器、功分器及两路中频放大器构成，完成微波接收、低噪声放大、混频、中频放大及滤波的功能，具有较高的安装密度和可靠性，是决定雷达接收前端灵敏度的关键部件。
本文针对一起接收前端增益指标不合格故障，从工作原理出发，结合产品实际，深入分析故障产生的原因，进行精确定位，以形成有效的排故方法。
1 故障现象
使用合成信号发生器、频谱分析仪、直流稳压电源和噪声系数分析仪等搭建测试平台，测试产品的指标，并做好静电防护措施。测试60MHz、110MHz中频输出，增益测试指标结果如表1所示，60MHz、110MHz中频增益均不满足要求。
2 工作原理
接收前端由衰减电路Ⅰ、低噪声放大电路LNA、衰减电路Ⅱ、混频电路、中频放大电路FI1、中频放大电路FI2和电源控制电路等组成。整体原理框图如图1所示。
天线将接收到的射频回波信号传至接收前端，经过衰减电路Ⅰ，由低噪声放大电路LNA放大该微弱信号，减少噪声干扰。放大的回波信号经衰减电路Ⅱ后在混频电路中与本振信号混频输出。混频输出两路信号至中频放大电路放大滤波后输出。其中，衰减电路Ⅰ、低噪声放大电路LNA、衰减电路Ⅱ、混频电路以及电源控制电路均为公共支路。以输出的增益偏低为顶事件建立故障树（见图2），并对各种可能的故障分支进行分析。
3 故障分析
电源电路、衰减电路Ⅰ和低噪声放大电路的原理图如图3所示。衰减电路Ⅱ与衰减电路Ⅰ结构相似，不再赘述。按照原理图分析故障点。
3.1 电源电路
电源电路的原理图如图3所示。电源电路给低噪放电路和中频放大电路中的放大器进行供电。该电路主要由两种稳压芯片、电容等组成。电路由外部+15V电源供电，经三端稳压芯片7805BT变压为+5V，又经过电压转换芯片MAX660变压为-5V。通电情况下，用万用表检测7805BT和MAX660，检测结果应满足表2。经检测，两种芯片均能正常供电。
3.2 衰减电路
PIN二极管和GaAs MESFET均可用来制作电调衰减器，但PIN二极管在耐功率性能、低损耗等方面有显著的优点，特别是PIN二极管由于具有极小的寄生电参数，在微波低损耗电路中更显优势。PIN二极管在正向偏压下，导通阻抗很小，近似短路，在反向偏压下则近似一个固定的小电容，阻抗很高，近似开路，而且具有随偏压连续改变阻抗的特性，可用于电调衰减器。此产品中的衰减控制电路就是利用PIN二极管这种特性对回波信号的幅度进行衰减，以保证接收前端的后续电路不至于发生过载现象。电路外接供电，通过加电大小来调节回波信号衰减的功率。图3所示为衰减电路Ⅰ，衰减电路Ⅱ与衰减电路Ⅰ原理相同。万用表检测4种二极管均未损坏。改变供电电压，回波信号输出功率连续改变，满足指标要求，证明衰减电路没有问题。
3.3 低噪聲放大电路
低噪声放大器的主要作用是直接放大天线接收的微波信号，以降低接收前端的噪声系数，提高接收前端的灵敏度。随着通信技术的飞速发展，人们对各种无线通信工具的要求也越来越高，要求功率辐射小、作用距离远、覆盖范围大。这就对系统的接收灵敏度提出了更高的要求，系统灵敏度由下式给出：
S=-174+NF+10lg（BW）+S/N （1）
其中，NF为噪声系数；BW为系统带宽；S/N为输入信噪比。除NF之外，各种特定无线通信系统中，BW、S/N已定，能有效提高灵敏度的关键因素是降低接收前端的噪声系数NF，而决定接收前端的噪声系数的关键部件是接收前端前级的低噪声放大电路。低噪声放大器的主要技术指标有频率范围、增益、噪声系数。在前端组件中，低噪声放大电路采用了两级放大器级联的方式实现，两级放大器具体电路如图3所示。电路中采用了型号为ATF-36077（Q7）和ATF-13786（Q8）的两种场效应管，工作频段为4～16GHz。两种型号的芯片典型噪声系数为0.4和0.5，噪声系数较小。
使用ADS软件模拟低噪声放大电路，原理图如图4所示，仿真的S参数如图5所示。查看图5仿真结果，在9.66GHz处S（2，1）的指标为 14.85dB，即低噪声放大电路的增益为14.85dB。用探针检测低噪声放大电路的实测增益，只有5dB，电路明显有故障。图4已经仿真出电路节点的电流和电压值。用万用表检测Q7、Q8电压，结果如表3所示，对照图4可以看出Q7漏极D电压值不正常，明显被烧坏。
更换Q7后重新进行检测，两级放大管供电电压均为正常。通电检测60MHz、110MHz的两通道中频输出增益分别为37dB和22dB，110MHz通道满足指标要求。
3.4 中频放大电路
中频放大电路的功能是把混频器输出的中频信号不失真地放大到所需的数值。在接收前端组件中，中频放大电路包含放大、衰减、滤波、放大四个过程，其中，60MHz和110MHz两路中频分别经过不同的通道输入输出，两路电路原理相同。 图6所示为60MHz中频放大电路，电路由三级放大器、滤波和衰减电路组成。电路中电源输入为+15V。回波信号输入功率为-60dBm；输出端口OUT1输出频率60MHz，输出功率为-23dBm。60MHz输出增益为37dB，与指标最低要求的差值为2dB。可以通过调节π型衰减器中的电阻值来调节输出。π型衰减器如图6中所示。
中频放大电路中的信号经过放大器Q3、放大器Q2、π型衰减器、滤波器、放大器Q1后输出。如图6所示，π型衰减器由R5、R6、R7组成，阻值分别是91Ω、36Ω、91Ω。由工具计算出原始衰减量为7.5dB，如图7所示。更换电阻R6，使阻值从36Ω降低至10Ω，计算衰减量为4.04dB。更换电阻后通电进行检测，60MHz输出功率为-19.5dBm，回波信号功率为-60dBm，计算得出增益为40.5dB，满足指标要求。
4 镜检
在显微镜下进行镜检，可以观察到老化、金脆等现象，如图9、图10、图 11中所示。老化、金脆现象对组件危害极大，需要及时清洗基板或重新焊接焊点。若腐蚀比较严重，需重新更换元器件。
清洗组件并更换腐蚀严重的元器件后，通电检测，产品性能满足要求。将产品上系统联调，满足各项指标要求。
5 结束语
该型飞机接收前端故障模式较多，本文仅选取其中较常见的故障进行了分析。故障研究不局限于故障本身，重要的是排故思路和方法。建议如下：
1）为准确定位故障原因，应理清工作原理、测绘信号走向。
2）分模块确定输入输出以及加电模式。
3）尽可能使故障稳定再现，以便于后续排故时的验证工作。
4）在显微镜下镜检，确保元器件、基板等没有腐蚀、老化现象。
5）做好上机联调工作，确保可以上机使用。
参考文献
[1] 顾其诤. 微波集成电路设计[M].北京：人民邮电出版社，1978.
[2] 沈伟慈，李霞，陈田明.通信电路[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.
作者简介
闫非凡，助理工程师，主要从事机载雷达微波模塊修理研究。
陈莉华，工程师，主要从事机载雷达微波模块修理研究。
关键词：接收前端；增益；放大器；混频
Keywords：receive front-end；gain；amplifier；mixer
0 引言
接收前端是某型飞机火控雷达系统中的微波模块，安装于飞机机头雷达舱中。该产品由精密PIN电调衰减器、低噪声场效应放大器、带PIN电调衰减的镜像抑制混频器、功分器及两路中频放大器构成，完成微波接收、低噪声放大、混频、中频放大及滤波的功能，具有较高的安装密度和可靠性，是决定雷达接收前端灵敏度的关键部件。
本文针对一起接收前端增益指标不合格故障，从工作原理出发，结合产品实际，深入分析故障产生的原因，进行精确定位，以形成有效的排故方法。
1 故障现象
使用合成信号发生器、频谱分析仪、直流稳压电源和噪声系数分析仪等搭建测试平台，测试产品的指标，并做好静电防护措施。测试60MHz、110MHz中频输出，增益测试指标结果如表1所示，60MHz、110MHz中频增益均不满足要求。
2 工作原理
接收前端由衰减电路Ⅰ、低噪声放大电路LNA、衰减电路Ⅱ、混频电路、中频放大电路FI1、中频放大电路FI2和电源控制电路等组成。整体原理框图如图1所示。
天线将接收到的射频回波信号传至接收前端，经过衰减电路Ⅰ，由低噪声放大电路LNA放大该微弱信号，减少噪声干扰。放大的回波信号经衰减电路Ⅱ后在混频电路中与本振信号混频输出。混频输出两路信号至中频放大电路放大滤波后输出。其中，衰减电路Ⅰ、低噪声放大电路LNA、衰减电路Ⅱ、混频电路以及电源控制电路均为公共支路。以输出的增益偏低为顶事件建立故障树（见图2），并对各种可能的故障分支进行分析。
3 故障分析
电源电路、衰减电路Ⅰ和低噪声放大电路的原理图如图3所示。衰减电路Ⅱ与衰减电路Ⅰ结构相似，不再赘述。按照原理图分析故障点。
3.1 电源电路
电源电路的原理图如图3所示。电源电路给低噪放电路和中频放大电路中的放大器进行供电。该电路主要由两种稳压芯片、电容等组成。电路由外部+15V电源供电，经三端稳压芯片7805BT变压为+5V，又经过电压转换芯片MAX660变压为-5V。通电情况下，用万用表检测7805BT和MAX660，检测结果应满足表2。经检测，两种芯片均能正常供电。
3.2 衰减电路
PIN二极管和GaAs MESFET均可用来制作电调衰减器，但PIN二极管在耐功率性能、低损耗等方面有显著的优点，特别是PIN二极管由于具有极小的寄生电参数，在微波低损耗电路中更显优势。PIN二极管在正向偏压下，导通阻抗很小，近似短路，在反向偏压下则近似一个固定的小电容，阻抗很高，近似开路，而且具有随偏压连续改变阻抗的特性，可用于电调衰减器。此产品中的衰减控制电路就是利用PIN二极管这种特性对回波信号的幅度进行衰减，以保证接收前端的后续电路不至于发生过载现象。电路外接供电，通过加电大小来调节回波信号衰减的功率。图3所示为衰减电路Ⅰ，衰减电路Ⅱ与衰减电路Ⅰ原理相同。万用表检测4种二极管均未损坏。改变供电电压，回波信号输出功率连续改变，满足指标要求，证明衰减电路没有问题。
3.3 低噪聲放大电路
低噪声放大器的主要作用是直接放大天线接收的微波信号，以降低接收前端的噪声系数，提高接收前端的灵敏度。随着通信技术的飞速发展，人们对各种无线通信工具的要求也越来越高，要求功率辐射小、作用距离远、覆盖范围大。这就对系统的接收灵敏度提出了更高的要求，系统灵敏度由下式给出：
S=-174+NF+10lg（BW）+S/N （1）
其中，NF为噪声系数；BW为系统带宽；S/N为输入信噪比。除NF之外，各种特定无线通信系统中，BW、S/N已定，能有效提高灵敏度的关键因素是降低接收前端的噪声系数NF，而决定接收前端的噪声系数的关键部件是接收前端前级的低噪声放大电路。低噪声放大器的主要技术指标有频率范围、增益、噪声系数。在前端组件中，低噪声放大电路采用了两级放大器级联的方式实现，两级放大器具体电路如图3所示。电路中采用了型号为ATF-36077（Q7）和ATF-13786（Q8）的两种场效应管，工作频段为4～16GHz。两种型号的芯片典型噪声系数为0.4和0.5，噪声系数较小。
使用ADS软件模拟低噪声放大电路，原理图如图4所示，仿真的S参数如图5所示。查看图5仿真结果，在9.66GHz处S（2，1）的指标为 14.85dB，即低噪声放大电路的增益为14.85dB。用探针检测低噪声放大电路的实测增益，只有5dB，电路明显有故障。图4已经仿真出电路节点的电流和电压值。用万用表检测Q7、Q8电压，结果如表3所示，对照图4可以看出Q7漏极D电压值不正常，明显被烧坏。
更换Q7后重新进行检测，两级放大管供电电压均为正常。通电检测60MHz、110MHz的两通道中频输出增益分别为37dB和22dB，110MHz通道满足指标要求。
3.4 中频放大电路
中频放大电路的功能是把混频器输出的中频信号不失真地放大到所需的数值。在接收前端组件中，中频放大电路包含放大、衰减、滤波、放大四个过程，其中，60MHz和110MHz两路中频分别经过不同的通道输入输出，两路电路原理相同。 图6所示为60MHz中频放大电路，电路由三级放大器、滤波和衰减电路组成。电路中电源输入为+15V。回波信号输入功率为-60dBm；输出端口OUT1输出频率60MHz，输出功率为-23dBm。60MHz输出增益为37dB，与指标最低要求的差值为2dB。可以通过调节π型衰减器中的电阻值来调节输出。π型衰减器如图6中所示。
中频放大电路中的信号经过放大器Q3、放大器Q2、π型衰减器、滤波器、放大器Q1后输出。如图6所示，π型衰减器由R5、R6、R7组成，阻值分别是91Ω、36Ω、91Ω。由工具计算出原始衰减量为7.5dB，如图7所示。更换电阻R6，使阻值从36Ω降低至10Ω，计算衰减量为4.04dB。更换电阻后通电进行检测，60MHz输出功率为-19.5dBm，回波信号功率为-60dBm，计算得出增益为40.5dB，满足指标要求。
4 镜检
在显微镜下进行镜检，可以观察到老化、金脆等现象，如图9、图10、图 11中所示。老化、金脆现象对组件危害极大，需要及时清洗基板或重新焊接焊点。若腐蚀比较严重，需重新更换元器件。
清洗组件并更换腐蚀严重的元器件后，通电检测，产品性能满足要求。将产品上系统联调，满足各项指标要求。
5 结束语
该型飞机接收前端故障模式较多，本文仅选取其中较常见的故障进行了分析。故障研究不局限于故障本身，重要的是排故思路和方法。建议如下：
1）为准确定位故障原因，应理清工作原理、测绘信号走向。
2）分模块确定输入输出以及加电模式。
3）尽可能使故障稳定再现，以便于后续排故时的验证工作。
4）在显微镜下镜检，确保元器件、基板等没有腐蚀、老化现象。
5）做好上机联调工作，确保可以上机使用。
参考文献
[1] 顾其诤. 微波集成电路设计[M].北京：人民邮电出版社，1978.
[2] 沈伟慈，李霞，陈田明.通信电路[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.
作者简介
闫非凡，助理工程师，主要从事机载雷达微波模塊修理研究。
陈莉华，工程师，主要从事机载雷达微波模块修理研究。