雙通道超外差式接收機(jī)的設(shè)計(jì)

摘 要超外差式接收機(jī)由于具有高增益、大動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度等特點(diǎn)收機(jī)在雷達(dá)、通信領(lǐng)域運(yùn)用廣泛。本文設(shè)計(jì)了一款用于射頻仿真幅相校準(zhǔn)系統(tǒng)的雙通道超外差式接收機(jī)，該超外差式接收機(jī)的結(jié)構(gòu)一般由單刀5擲開(kāi)關(guān)、變頻器、功率放大器、濾波器等組成，接收機(jī)工作頻段為6～18GHz，靈敏度優(yōu)于-120dBm，動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)于75dB，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】超外差式接收機(jī) 接收機(jī) 靈敏度 接收機(jī)線性度 幅相 校準(zhǔn)系統(tǒng)

1 超外差式接收機(jī)

接收機(jī)作為通信、雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分對(duì)系統(tǒng)的性能有著直接的影響，因此設(shè)計(jì)一個(gè)高性能的接收機(jī)對(duì)于電子系統(tǒng)是至關(guān)重要的。接收機(jī)的作用為接收空間輻射的電磁波并對(duì)接收的電磁波進(jìn)行濾波、放大，濾除掉，干擾信號(hào)和雜波，得到回波信號(hào)進(jìn)行處理。整個(gè)過(guò)程需要對(duì)電磁信號(hào)的頻譜進(jìn)行分割和搬移，并且不能產(chǎn)生額外的干擾。

典型的接收機(jī)有晶體視頻接收機(jī)、超外差式接收機(jī)、直接下變頻式接收機(jī)、鏡頻抑制接收機(jī)等類型。超外差式接收機(jī)由于具有靈敏度高、采樣難度低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，成為了當(dāng)前最主流的設(shè)計(jì)構(gòu)架。本文也采用超外差式接收機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。

超外差式接收機(jī)的框圖如圖1所示。超外差式接收機(jī)的主要功能為對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行功率放大、混頻，輸出一個(gè)中頻信號(hào)，給后面的信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)處理。超外差接收機(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵為信號(hào)放大后的信噪比控制和經(jīng)過(guò)混頻后的雜散信號(hào)的抑制。

2 雙通道超外差式接收機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 雙通道超外差式接收機(jī)指標(biāo)要求

本文所依照的項(xiàng)目要求雙通道接收機(jī)工作頻率范圍為6～18GHz，共有兩個(gè)通道，每個(gè)通道接收機(jī)能夠輸入5個(gè)信號(hào)并可以對(duì)5個(gè)信號(hào)進(jìn)行選擇。每個(gè)通道具體的指標(biāo)要求為：

（1）接收機(jī)頻段：6～18GHz；

（2）靈敏度：≤-120dBm；

（3）線性動(dòng)態(tài)范圍：≥-75dB；

（4）中放輸出頻率：10.7MHz±2.5KHz；

（5）中放輸出電平：≥-5dBm。

2.2 雙通道超外差式接收機(jī)的設(shè)計(jì)

由于該接收機(jī)的使用場(chǎng)景為已知特定信號(hào)的接收和分析，因此可以采用變本振的方式實(shí)現(xiàn)10.7MHz的固定中頻輸出。同時(shí)，系統(tǒng)還要求該接收機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)通道5個(gè)信號(hào)的選擇接收，因此需要選用單刀5擲的射頻開(kāi)關(guān)對(duì)信號(hào)進(jìn)行選擇。

根據(jù)接收機(jī)的設(shè)計(jì)要求，給出了雙通道超外差式接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2，該雙通道式超外差接收機(jī)采用兩個(gè)單刀5擲開(kāi)光（SP5T）實(shí)現(xiàn)了5路信號(hào)的選擇輸出，通過(guò)功分器將本振信號(hào)公分后分別與兩個(gè)混頻器混頻輸出，混頻后的信號(hào)為固定中頻。

根據(jù)提出的系列指標(biāo)，對(duì)接收機(jī)鏈路進(jìn)行分析與計(jì)算。為下一步電路的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。主要對(duì)噪聲系數(shù)、增益、動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行計(jì)算。

接收機(jī)的靈敏度指的是接收機(jī)在給定的噪聲功率的情況下接收、檢測(cè)信號(hào)的能力。接收機(jī)的靈敏度與接收機(jī)的噪聲系數(shù)、中頻帶寬都有關(guān)系。越小的噪聲系數(shù)，越窄的中頻帶寬可以提高接收機(jī)的靈敏度。根據(jù)靈敏度的指標(biāo)可以確定系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。

靈敏度與噪聲系數(shù)的對(duì)數(shù)形式關(guān)系式為：

（1）

式中，S（min）代表接收機(jī)的靈敏度為-120dBm。K指波爾茲曼常數(shù)-198.6dBm。T指常溫下的噪聲溫度24.669dBm。B：中頻帶寬（或檢測(cè)器前濾波器帶寬）取5KHz，36.99dB。F：接收機(jī)系統(tǒng)噪聲系數(shù)（待求量）。M：接收機(jī)檢測(cè)器所需的最小信噪比，這里取5dB。代入式（1）中計(jì)算出結(jié)果為：

（2）

根據(jù)計(jì)算出的值，可以確定要達(dá)到-120dBm靈敏度的指標(biāo)需要系統(tǒng)噪聲系數(shù)在11.941以下。在選擇器件時(shí)需要選擇低噪聲的器件，且合理分配各個(gè)器件的噪聲使整個(gè)系統(tǒng)噪聲系數(shù)在11dB以下。

由接收機(jī)的最大輸出電平（-5dBm）、動(dòng)態(tài)范圍（75dB）、最小接收電平（靈敏度-120dBm）可以計(jì)算出接收機(jī)整體的增益為：

（3）

由式（3）可以算出整個(gè)鏈路的整體增益為40dB，即中頻放大器必須要達(dá)到55dB的增益，才能使鏈路整體增益達(dá)到40dB以上，因此可以采用兩級(jí)放大再加可調(diào)衰減器的形式對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行放大。同時(shí)，選用的SP5T開(kāi)關(guān)以及混頻器要保證插損足夠小，使在鏈路整個(gè)頻段內(nèi)的增益達(dá)到指標(biāo)要求。

動(dòng)態(tài)范圍指的是接收機(jī)系統(tǒng)處理不同功率的信號(hào)的能力，不同的系統(tǒng)對(duì)于動(dòng)態(tài)范圍有不同的方法來(lái)描述。對(duì)于校準(zhǔn)接收機(jī)來(lái)說(shuō)，由于校準(zhǔn)接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作環(huán)境沒(méi)有強(qiáng)干擾，線性動(dòng)態(tài)范圍成為了我們關(guān)注的重點(diǎn)。

接收機(jī)線性動(dòng)態(tài)范圍的定義為最小可接收功率與整個(gè)鏈路的1dB壓縮點(diǎn)之間的差：

（4）

接收機(jī)的最小可接收功率為-120dBm，線性動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)為75dB，即接收機(jī)的整體1dB壓縮點(diǎn)要高于-45dBm，在鏈路設(shè)計(jì)過(guò)程中需要選擇合適的混頻器和中放。

2.3 雙通道超外差式接收機(jī)的測(cè)試

2.3.1 靈敏度測(cè)試

接收機(jī)的靈敏度指的是接收機(jī)接收信號(hào)的能力的強(qiáng)弱，一般來(lái)說(shuō)，指的是接收機(jī)能夠分辨到的最小的信號(hào)。對(duì)于校準(zhǔn)裝置來(lái)說(shuō)，為了保證測(cè)量的精度，輸入到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中的信號(hào)信噪比需要大于10dB，校準(zhǔn)接收機(jī)的靈敏度指標(biāo)為-120dBm，因此測(cè)量當(dāng)信號(hào)源輸入信號(hào)為-120dBm時(shí)輸出信號(hào)的信噪比，測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)的功率為-120dBm時(shí)，兩個(gè)通路的信噪比在10dB以上，滿足矢網(wǎng)的使用精度要求，說(shuō)明接收機(jī)的靈敏度可以達(dá)到-120dBm。

2.3.2 線性度測(cè)試

當(dāng)輸入功率增大到一定的程度時(shí)，由于信號(hào)太大增益會(huì)降低1dB，此時(shí)的輸入功率減去接收機(jī)的靈敏度就是接收機(jī)的線性動(dòng)態(tài)范圍。要求接收機(jī)的線性動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到75dB，即當(dāng)輸入功率為-45dBm時(shí)，輸出信號(hào)的增益壓縮需要在1dB以內(nèi)。測(cè)量時(shí)，信號(hào)源的輸出功率為-45dBm，測(cè)量這個(gè)時(shí)候的增益再與-120dBm時(shí)的增益相減，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，6～18GHz頻段內(nèi)增益壓縮比小于0.3dB，滿足增益壓縮比小于1dB的條件，因此，接收機(jī)的線性動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到了75dB以上。

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一款用于射頻仿真校準(zhǔn)系統(tǒng)的雙通道超外差式接收機(jī)，用于射頻仿真校準(zhǔn)系統(tǒng)，滿足了系統(tǒng)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)，對(duì)于提高射頻仿真校準(zhǔn)系統(tǒng)性能以及射頻仿真目標(biāo)模擬的精度具有較大的工程意義。

參考文獻(xiàn)

[1]劉國(guó)贏.高靈敏度信道化超外差接收機(jī)前端系統(tǒng)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2009.

[2]王馨儀.超外差接收機(jī)的基本原理與發(fā)展歷程[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2016（12）：67-67.

[3]劉文豹，楊自強(qiáng)，陳濤.基于超外差結(jié)構(gòu)Ka波段多信道接收機(jī)[J].壓電與聲光，2014，36（01）：140-142.

[4]彭亮.超外差式數(shù)字接收機(jī)的非線性消除與主動(dòng)利用[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

[5]李南京，張麟兮，李萍等.射頻仿真系統(tǒng)精度校準(zhǔn)的軟件新方法研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2006，23（05）：284-287.

[6]于迪文.大型寬帶射頻仿真系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

[7]王勇，姜秋喜，畢大平.降低雷達(dá)接收機(jī)中噪聲的幾種方法[J].雷達(dá)與對(duì)抗，2004（02）：34-37.

[8]高峰，謝清玲.雷達(dá)接收機(jī)的電磁兼容設(shè)計(jì)[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2006，35（04）：78-82.

[9]肖文書，張興敢，李景文.雷達(dá)接收機(jī)綜合測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2005，27（09）：67-71.

作者介紹

劉力琿（1993-），男，四川省瀘州市人。南京航空航天大學(xué)碩士。研究方向射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真。

作者單位

南京航空航天大學(xué) 江蘇省南京市 210000