一種安控接收機射頻前端設計與仿真

潘麗娜，付 凡，姚先秀，趙廣超

（1.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024；2.空裝駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330024）

0 引言

測控系統(tǒng)是飛行器飛行試驗中重要的測量手段[1]，利用無線電遙測遙控技術實時獲取各系統(tǒng)的工作狀態(tài)和飛行器的飛行軌跡，完成飛行器的飛行控制和安全控制，并為飛行器性能評估和故障分析提供依據(jù)。安控接收機是測控系統(tǒng)的重要部件之一，其功能是將從天線接收到的微弱射頻信號經(jīng)過濾波、放大、混頻等轉(zhuǎn)換成固定中頻信號，再通過基帶處理進行AD 轉(zhuǎn)換及數(shù)字解調(diào)，提取安控指令。其中，基帶處理主要采用數(shù)字信號處理，目前技術比較成熟，且集成度很高，而射頻前端的設計是安控接收機研發(fā)中非常關鍵的工作，其信號噪聲、增益和靈敏度直接影響后續(xù)解調(diào)處理，對整個接收機的性能起到至關重要的作用。

目前接收機主要類型為超外差接收機和零中頻接收機，零中頻接收機存在直流漂移等問題，超外差接收機一般多采用一次或兩次變頻，減少多次混頻帶來的混頻分量增多及設備體積偏大問題。本文借助Agilent 公司高頻仿真軟件ADS（Advanced Design System）對安控接收機射頻前端進行設計和仿真[2]，采用傳統(tǒng)超外差式設計方案，根據(jù)系統(tǒng)增益、噪聲及靈敏度等要求設計射頻前端的原理框圖，對各器件進行增益分配、參數(shù)設計及仿真計算，并級聯(lián)各模塊單元進行整體匹配和優(yōu)化設計，保證整體性能達到最優(yōu)。

1 總體設計

1.1 需求與技術方案

根據(jù)系統(tǒng)需求，安控接收機技術指標要求為：

1）工作頻段：1753.6MHz-1777.692MHz；

2）靈敏度：≤-130dBm；

3）帶外抑制比：不小于65dB；

4）噪聲系數(shù)：小于5dB。

本文所設計的射頻前端模塊原理框圖如圖1 所示：接收射頻頻率選擇1760MHz，輸出中頻信號頻率為70MHz，帶寬為0.5MHz，輸出中頻信號預期增益0dBm，該系統(tǒng)采用一次混頻方案，減少功耗和體積，利用三級放大將信號放大到0dBm，根據(jù)輸入信號大小加入可變增益放大器對系統(tǒng)增益進行控制，保證信號輸出不被壓縮，提高系統(tǒng)靈敏度及近距離抗毀性能。具體射頻前端模塊原理圖及增益分配如圖1 所示。

圖1 射頻前端系統(tǒng)原理框圖

1.2 元器件選型與設計

對于多級系統(tǒng)或多模塊級聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)的噪聲系數(shù)[3]為：

其中，NF1到NFN代表第一級至第N 級器件的噪聲系數(shù)，G1到GN代表第一級至第N 級器件的增益，由公式可得，系統(tǒng)的噪聲主要取決于前端器件的噪聲系數(shù)，后面級聯(lián)的部件對整個接收機噪聲系數(shù)造成的惡化較小，所以在選擇前級放大器時著重考慮噪聲系數(shù)的影響。

根據(jù)要求，前級放大器選擇采用WanTom 公司的WH1722AE，工作頻段1.7GHz-2.2GHz，該放大器具有30dB 的增益和0.55dB 的噪聲系數(shù)（見表1），可作為接收機的第一級放大器。

表1 WH1722AE 指標參數(shù)

混頻器采用集成VCO 功能的下變頻器RFFC2072A，變頻增益為-2dB，頻率覆蓋30MHz-2.7GHz，覆蓋系統(tǒng)工作頻段；放大器采用ERA-3SM+集成寬帶放大器，增益在所需頻段達到21dB；可變增益放大器采用AD8367，增益可調(diào)范圍為-3.7dB-45dB，器件的具體參數(shù)見表2-表4。

表2 RFFC2072A 指標參數(shù)

表3 ERA-3SM+集成寬帶放大器指標參數(shù)

表4 AD8367指標參數(shù)

利用ADS 中designguide 模塊設計原理框圖中的三款濾波器，根據(jù)原理圖中設計參數(shù)要求，濾波器BPF1 采用三階電路就可以實現(xiàn)，BPF2 和BPF3 設計為同款濾波器，二階電路可以滿足要求，具體參數(shù)設計結果分別如圖2 和圖3 所示，根據(jù)實際電阻電容參數(shù)對參數(shù)進行進一步優(yōu)化設計。

圖2 射頻濾波器設計原理圖

圖3 中頻濾波器設計原理圖

2 仿真結果及性能分析

2.1 頻帶及信道選擇性分析

根據(jù)選型結果，將各元器件模型帶入到系統(tǒng)中進行仿真，對射頻前端的前級系統(tǒng)進行S 參數(shù)仿真，查看系統(tǒng)的頻帶選擇性，結果如圖4 所示，可以看到，在中心頻點1760MHz 處，增益為27dB，該值為低噪放的增益和濾波器的損耗差值，帶外70MHz 處的抑制為67.635dB，射頻信號通過前級放大和前級濾波后，帶內(nèi)信號放大、帶外信號的抑制達到了系統(tǒng)指標要求。

圖4 射頻頻帶選擇性仿真

對系統(tǒng)的信道選擇性進行參數(shù)仿真，仿真結果如圖5 所示，在中心頻點1760MHz 處，增益為92dB，0.6MHz 處抑制達到30dB。查看圖5 仿真細節(jié)圖，可以看到，在0.5MHz 帶寬內(nèi)的增益起伏為0.004dB，帶內(nèi)信號平坦，不會使信號產(chǎn)生失真，較好地滿足了系統(tǒng)要求。

圖5 信道選擇性仿真結果分析

2.2 增益預算仿真結果分析

采用ADS 軟件中的增益預算仿真器BUDGET對系統(tǒng)進行增益預算仿真，由表5 結果可以看到系統(tǒng)各個元器件的參數(shù)，整個系統(tǒng)的輸出功率為-0.027dBm，接近預期輸出功率。由表6 系統(tǒng)參數(shù)仿真結果可得到系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為4.208dB，系統(tǒng)的帶寬設置為0.5MHz，調(diào)制方式選擇DPSK，若誤碼率要求按照不小于10-6計算，則SNR（信噪比）為10.5dB，由靈敏度計算公式[4]得到該系統(tǒng)的結果為-132.3dBm，小于-130dBm，噪聲系數(shù)和靈敏度均滿足系統(tǒng)指標要求。

表5 預算增益參數(shù)仿真結果

表6 系統(tǒng)參數(shù)仿真結果

對射頻輸入功率進行參數(shù)掃描，輸入功率從-40dBm到-100dBm 變化，步進取10dB，仿真射頻前端的輸出功率，結果如圖6 所示，系統(tǒng)輸入最大或最小功率時，輸出均為0 dBm。對各器件的增益分配進行分析，結果如圖7 所示，當系統(tǒng)輸入接收機所能接收到的最大信號時，AGC 的增益最小，為0dB，當系統(tǒng)輸入最小輸入功率時，AGC 的增益最大，為40dB，AGC 器件的性能指標滿足系統(tǒng)應用需求。

圖6 功率掃描仿真結果

圖7 最大輸入功率和最小輸入功率時各模塊增益分配

2.3 鏡像抑制性能分析

將射頻輸入頻率換成鏡像頻率1620MHz，采用諧波平衡仿真，由圖8 和圖9 仿真結果可以看到，中頻輸出功率為-101.052dBm，對比原始信號中頻輸出為-0.027dBm，鏡像干擾抑制達到101.025dB,可以看到鏡像頻率信號得到了很好的抑制。

圖8 原始中頻輸出信號

圖9 鏡像干擾中頻輸出信號

3 結語

本文根據(jù)安控接收機的指標要求進行接收機射頻前端的設計及研究，根據(jù)技術指標對各模塊指標進行拆分，并對其中元器件進行選型設計。借助ADS 仿真軟件，對設計的原理圖進行仿真，分別對射頻前端的混頻特性、增益特性及選擇性進行了仿真，實際仿真結果表明接收機射頻前端性能良好，達到了指標要求，具有較好的實用性。