周偉中，王晶晶，吳治霖

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0 引言

目前，很多通信系統(tǒng)都使用了寬帶接收機(jī)用于接收各種電磁信號。面對不同系統(tǒng)的不同要求，可選擇各種原理的接收機(jī)，包括零中頻接收機(jī)、超外差接收機(jī)、低中頻接收機(jī)以及數(shù)字中頻接收機(jī)等。阿姆斯特朗于1918年提出超外差接收機(jī)原理，到現(xiàn)在依然有很多接收機(jī)應(yīng)用超外差結(jié)構(gòu)構(gòu)建接收機(jī)，被認(rèn)為是一種指標(biāo)高、性能可靠的接收機(jī)原理。超外差接收機(jī)是利用幾次變頻的原理，將接收到的射頻信號與本振信號進(jìn)行混頻而產(chǎn)生一個低中頻信號，便于AD芯片對其進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號處理[1]。超外差結(jié)構(gòu)的接收機(jī)的缺點(diǎn)在于由于存在鏡像頻率，且鏡像頻率會與本振甚至中頻混頻產(chǎn)生組合頻點(diǎn)干擾，通常需要Q值較高的濾波器用于濾去鏡像頻率干擾。

1 接收機(jī)的原理

1.1 接收機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求

本文的寬帶接收機(jī)使用的是超外差原理，工作頻率覆蓋200～3 000 MHz，覆蓋4個倍頻程，靈敏度達(dá)到-90 dBm，中頻帶寬60 MHz，動態(tài)范圍達(dá)到90 dB，可以實(shí)現(xiàn)在寬頻帶內(nèi)接收各種信號。

1.2 接收機(jī)指標(biāo)分析及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此接收機(jī)靈敏度要求為-90 dBm。接收機(jī)靈敏度定義為：在可以接受的誤碼率情況下，接收機(jī)射頻輸入端所能接收到的最低信號功率。它與幾個系數(shù)有關(guān)，公式為[2]：

式中，P為靈敏度功率；NF為噪聲系數(shù)；B為帶寬；SNR為信噪比。從式（1）可以看出，靈敏度取決于噪聲系數(shù)、中頻帶寬以及信噪比等參數(shù)。設(shè)計(jì)指標(biāo)中規(guī)定中頻帶寬為60 MHz，所以接收機(jī)靈敏度主要取決于噪聲系數(shù)。

噪聲系數(shù)F是接收機(jī)輸入信號與輸出信號的比值，反映了信噪比的惡化程度，公式為：

當(dāng)有多個系統(tǒng)級聯(lián)的時(shí)候，總的噪聲系數(shù)公式如下[3]：

式中，F(xiàn)n和Gn分別是n級系統(tǒng)的噪聲系數(shù)和增益。可以看出，前端系統(tǒng)的噪聲系數(shù)對整個系統(tǒng)噪聲系數(shù)影響是最大的。為了提高系統(tǒng)的靈敏度，達(dá)到項(xiàng)目指標(biāo)要求，接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該接收機(jī)由兩個模塊組成，分別是前段放大模塊和接收變頻模塊。整個接收通道由前端放大模塊和接收變頻模塊兩個模塊構(gòu)成。天線接收到的射頻信號通過前段放大模塊首先進(jìn)入限幅器，經(jīng)過限幅后的信號通過定制濾波器送到射頻放大器后再經(jīng)過可調(diào)衰減進(jìn)入接收變頻模塊。信號在接收頻模塊中先與一本振LO1混頻產(chǎn)生一中頻（4 000 MHz），然后經(jīng)過濾波放大后再與固定本振LO2（3 860 MHz）混頻，產(chǎn)生140 MHz的低中頻信號輸出給數(shù)字處理模塊。

2 接收機(jī)電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 前段放大模塊的電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

因?yàn)榻邮胀ǖ缹`敏度要求較高，覆蓋頻域?qū)?，所以前端放大模塊的指標(biāo)很重要。前端放大模塊的噪聲系數(shù)對系統(tǒng)的噪聲系數(shù)影響最大，所以前段模塊不僅要有足夠大的增益，還要考慮噪聲系數(shù)、線性度等各種指標(biāo)。

在設(shè)計(jì)和器件選型中，遵循以下要求：

（1）濾波器矩形系數(shù)低，帶內(nèi)衰減小，平坦度高；

（2）放大器線性度高，在高增益下無自激現(xiàn)象；

（3）在屏蔽腔體設(shè)計(jì)中，注意腔體空間設(shè)計(jì)，避免信號泄露及自身諧振的產(chǎn)生。

通過以上考慮，把初選濾波器組指標(biāo)設(shè)計(jì)如下[4]。

（1）濾波通道1：通帶200～550 MHz；50 dB阻帶0～140 MHz、620～3 000 MHz；

（2）濾波通道2：通帶490～1 630 MHz；50 dB阻帶0～300 MHz、1 800～3 000 MHz；

（3）濾波通道3：通帶1 570～3 000 MHz；50 dB阻帶0～1 100 MHz、3.5～6 GHz；

（4）通帶插入損耗≤3.5 dB（全溫）；

（5）帶內(nèi)波動≤1 dB；

（6）駐波≤1.7；

（7）工作電源+5 V。

濾波器封裝如圖2所示。其中，距離單位為毫米。

為保證接收機(jī)在200～3 000 MHz內(nèi)的技術(shù)指標(biāo)，提高其動態(tài)范圍，把前端濾波器劃分成三段組成一個濾波器組，控制電平通過C1、C2控制引腳選通濾波器1/2/3，信號通過濾波器進(jìn)入下一級放大器中。

圖2 濾波器封裝示意

放大器選擇TriQuint公司的TQP3M9028低噪聲固定增益放大器，工作頻率覆蓋50～4 000 MHz，Output IP3達(dá)到+40 dBm，固定增益14.7 dB，具體指標(biāo)如表1所示[5]。利用ADS仿真軟件對電路進(jìn)行S參數(shù)仿真，電路圖及仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

由仿真結(jié)果可見，該電路在使用頻帶內(nèi)增益穩(wěn)定，對帶外信號濾波效果明顯，符合設(shè)計(jì)要求。

射頻信號通過射頻放大器后輸入數(shù)字衰減器，然后再通過寬帶射頻高增益放大器輸出給下一級接收變頻模塊。設(shè)計(jì)的PCB電路圖如圖5所示。

表1 低噪聲放大器指標(biāo)

圖3 ADS2017版仿真電路圖及仿真結(jié)果

圖4 S電路仿真

圖5 前端放大模塊PCB實(shí)現(xiàn)

每張放大模塊有3個相同的通道，可以同時(shí)對3路信號進(jìn)行濾波放大，控制IO信號和電源通過右上角H2A110FMDC接插件輸入板卡。數(shù)字控制信號輸入后，通過FPGA芯片控制通道衰減量和濾波器的通道選擇。

2.2 接收變頻模塊的電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

通過前段放大模塊的信號經(jīng)射頻線纜輸入至接收變頻模塊進(jìn)行下變頻，設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

中頻頻段的中心頻率為140 MHz、瞬時(shí)帶寬為60 MHz，射頻接收頻段最低到225 MHz，與中頻帶寬相鄰近，加上對靈敏度和高增益的要求，采用直接的數(shù)字信號處理無法直接實(shí)現(xiàn)。此外，寬頻帶、大動態(tài)范圍的設(shè)計(jì)要求也有很大難度。因此，從電子元器件到系統(tǒng)的寬帶化設(shè)計(jì)成為射頻前端電路模塊的重要問題。本設(shè)計(jì)基于二次變頻結(jié)構(gòu)的寬帶射頻前端電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。采用升變頻的設(shè)計(jì)思路，首先將寬帶射頻信號上變頻至一個合適的高頻頻段，然后將其下變頻至系統(tǒng)需要的140 MHz中頻頻段進(jìn)行處理，以將原本鄰近的射頻頻段和中頻頻段進(jìn)行有效分離。實(shí)現(xiàn)后印制板布線圖如圖7所示。

圖6 接收變頻模塊原理設(shè)計(jì)

圖7 接收變頻模塊PCB實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目選擇一中頻為4 000 MHz，射頻信號通過混頻器與頻率源輸出的第一本振信號LO1進(jìn)行混頻。產(chǎn)生的中頻信號經(jīng)過一級數(shù)字可調(diào)衰減器后，通過中心頻率為4 000 MHz的濾波器，對鏡像頻點(diǎn)進(jìn)行第一次濾波。此濾波器的性能指標(biāo)直接決定了對鏡像頻率的抑制效果，選用了定制的高頻帶通濾波器，指標(biāo)如表2所示。

可以看出，在偏離中心頻率250 MHz的通帶外，此濾波器可以在常溫下提供高達(dá)50 dB的高抑制。

進(jìn)過一級濾波的信號再經(jīng)過射頻放大器后進(jìn)入第二級同樣的濾波器，對鏡像頻率進(jìn)行第二次濾波。結(jié)果可見，經(jīng)過兩次濾波的信號完全可以滿足對鏡像信號dB抑制的指標(biāo)。信號經(jīng)過兩次放大后會進(jìn)行第二次混頻，與頻率源產(chǎn)生的第二本振信號LO2（3 860 MHz）進(jìn)行混頻，產(chǎn)生140 MHz下變頻中頻信號。中頻信號通過寬帶中頻濾波器，濾除混頻后的信號。此濾波器有著140 MHz、1 dB帶寬≥66 MHz、插損≤2 dB、帶內(nèi)駐波≤1.5、矩形系數(shù)（K40/1即40 dB帶寬除以1 dB帶寬）≤2.2、帶內(nèi)紋波動≤0.5 dB的指標(biāo)，能很好地濾除通帶外的雜散信號。

表2 定制高頻帶通濾波器的相關(guān)指標(biāo)

3 結(jié)語

此設(shè)計(jì)經(jīng)過項(xiàng)目驗(yàn)收達(dá)到了指標(biāo)要求，且用戶使用后反饋其性能穩(wěn)定，達(dá)到了用戶要求，可為寬帶接收機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。