第三章 系統實現
3.1 元件設計
3.1.1 波導至微帶線轉換器 〈Transtion〉
由於號角天線輸入至系統電路端為一波導管形式，且電路為平面式的製作，
因此需要一轉換器將波導管轉成微帶線的形式，將天線與後級電路相連接。
若將波導其中一端短路，則訊號最強的地方會在距離短路端約四分之一波長 之處。為了得到較低之損耗，在訊號最強的地方設計一個波導轉同軸的垂直結構，
其圖形則如圖 3.1.1.1 所示。
圖 3.1.1.2 為 HFSS 的模擬結果，在接收機的中心頻，也就是 23.8GHz 之處，
此轉接器的介入損耗(Insertion Loss)為 0.1811dB、而其反射損耗(Return Loss)為 24.5938dB。
圖 3.1.1.1 HFSS 模擬之波導至微帶線之轉接器
15
圖 3.1.1.2 波導至微帶線之轉接器的模擬結果
3.1.2 雜訊源 〈Noise Source〉
微波輻射儀在觀測上需要一個校正系統，此校正系統為能夠提供穩定的雜 訊，藉以對系統所量測到的觀測物電壓訊號做一校正，利用一波導形式的終端負 載〈Waveguide Terminated Load〉並加上一個溫度控制系統來實現此雜訊源。系 統需要的是雜訊源所產生的雜訊溫度，並非此終端負載本身的熱度，為了避免雜 訊源與本體接收機上會有熱傳導的現象，在兩者之間會加入一隔熱墊片，防止兩 者之間產生熱傳導，進而影響雜訊源溫度的控制。
3.1.3 開關器 〈Switch〉
在迪克微波輻射儀架構下，開關器可分為校正開關〈Calibration Switch〉
和迪克開關〈Dicke Switch〉，前者是用來切換冷溫和熱溫，其中，冷溫經過號 角天線傳入雜訊接收機系統，其與偵測目標物訊號所走的路徑是一模一樣的，冷 溫及熱溫的觀測都是用以對微波輻射系統進行校正；後者是用來切換觀測物的雜 訊和基準溫度源。
16
所選用的開關為 Hittite 公司提供的 HMC975，其介入損耗比市面上其他開 關元件算低，為 0.9dB，適合用來作為第一級。圖 3.1.3.1 為此開關的等效電路圖
圖 3.1.3.1 HMC975
圖 3.1.3.1 中，虛線為晶片的等效電路圖，而在使用上必須接上開關驅動 器(Switch Driver)，藉以控制開關的切換。表 3.1.3.1 為開關器的詳細電性
表 3.1.3.1 開關器
公司 Hittite
型號 HMC975
型式 Chip
價格 33.94 USD
尺寸 1.75mm*1.1mm*0.1mm
隔離度 45dB@26GHz
介入損耗 0.9dB
工作頻率(GHz) 2~50
工作溫度範圍(℃) -55 ~ +85 控制(開/ 關) -10V/ +1.29V
17
3.1.4 開關驅動器 〈Switch Driver〉
校正開關和迪克開關的開與關，需要一個驅動元件來進行控制。選用 Microsemi 公司所販售的 MSD7802，其主要原因為 MSD7802 為互補
(Complementary)的系統，可以產生出兩個互補的方波，同時控制 HMC-975 的兩 個埠，使開關一邊開時，另一邊就會是關的狀態。圖 3.1.4.1 為此顆開關驅動器 的示意圖。
圖 3.1.4.1 MSD7802 3.1.5 低雜訊放大器〈Low Noise Amplifier〉
在低雜訊放大器選擇上，第一級低雜訊放大器考量到雜訊指數的大小，選
18
表 3.1.5.1 詳細電性(VDD=4V)
參 數 單 位 最 小 值 正 常 最 大 值
頻 率 範 圍 GHz 12.5 24
增益 dB 23 26 ─
雜訊指數 dB ─ 1.8 2.3
輸入端回返損耗 dB ─ 6 5
輸出端回返損耗 dB ─ 7.5 ─
輸出 1dB 壓縮點 dBm ─ 13 14
供應電流 mA ─ 90 120
增益平坦 dB ─ ±2.5 ─
圖3.1.5.1 功能架構圖
19
從以上的資料提供，可得知此晶片可提供最小的雜訊指數，且增益為 26dB，
可有效的遮蔽後期的元件，提供的電壓為 4V。
(2) 第二級：
廠商：Hittite
型號：HMC ALH476
廠商提供數據表：
20
從上表中可得知此顆晶片的輸入損耗和輸出損耗都能夠大於 15dB，能夠符 合所第二級低雜訊放大器的選擇，而其增益為 20dB。
3.1.6 帶通濾波器〈Bandpass Filter〉
帶通濾波器是放置於兩級低雜訊放大器之後，放置於低雜訊放大器之後的 原因是能夠降低系統雜訊，其缺點是天線所接收的訊號會根據低雜訊放大器的頻 寬全部放大，增加低雜訊放大器產生震盪的可能性；根據規格要求，在 23.8GHz 的頻寬要求為 400MHz，頻寬大小是影響雜訊接收訊號的能量，頻寬愈大所接收 的能量愈大，且對頻帶外的訊號能夠有效的壓制，避免不必要的雜訊訊號進入檢 測器，進而影響電壓判別的準位。
在設計上，由於頻率為 23.8GHz，頻寬要求的百分比為 1.7%，因此使用 懸空微帶線基版的方式，減少版材的損耗，並將整個濾波器坐上封蓋，減少輻射 的損耗，藉以提高品質因數〈Quality Factor〉，以下所示為實際電路的布局圖：
圖 3.1.6.1 濾波器電路圖
21
圖 3.1.6.2 濾波器模擬結果
W0 32 W2 33
L0 100 L2 101
W1 30 S2 36
L1 101 LL1 12
S1 6 LL2 19
表 3.1.6.1 濾波器電路尺寸
3.1.7 峰值檢測器 〈Detector〉
功率訊號經過天線、放大器和濾波器後，利用檢測器讓功率訊號轉換為一 電壓訊號，因此檢測器輸入功率對輸出電壓必須為線性。所使用的檢測器為 UMS CHE1270a98F。其所提供的詳細參數如表 3.7.1 所示
22
表 3.1.7 詳細參數(VDD=4V)
參 數 單 位 最 小 值 正 常 最 大 值
頻 率 範 圍 GHz 5 44
動態範圍 dB 30 ─ ─
輸入功率 dBm -15 ─ 15
輸出電壓 mV 5 ─ 2200
回返損耗 dB ─ -10 -8
供應電壓 V ─ 4.5 ─
供應電流 mA 50 70 90