監(jiān)測接收機預選接收通道設計

盧建國

（中電科思儀科技股份有限公司，山東青島，266555）

0 引言

隨著軍用和商用無線電技術的發(fā)展，電磁環(huán)境越來越復雜，不同設備之間的頻譜干擾現(xiàn)象越來越明顯，對空間中無線電信號的電磁頻譜監(jiān)測是一個重要領域。監(jiān)測接收機作為頻譜監(jiān)測領域的專用儀器，具備無線電信號的搜索、分析、測向、定位等多種功能，能夠滿足復雜電磁環(huán)境下的頻譜監(jiān)測功能[1,2]。

預選接收通道作為監(jiān)測接收機的核心部件之一，直接影響接收機的射頻性能指標。根據(jù)接收通道的結構不同，可分為超外差結構、零中頻結構和直接采樣結構。通過對比三種結構的優(yōu)、缺點，本文設計的預選接收通道采用超外差結構。超外差結構主要有一下優(yōu)點：（1）通過多次變頻處理，有較好的頻率隔離度，有效減少本振信號的泄露；（2）通道增益可以分配到不同的頻段進行設計，減少噪聲對輸出信號的影響；（3）可經(jīng)過多次濾波，減小干擾信號，提高系統(tǒng)的抗干擾能力[2,3]。

1 接收通道原理

預選接收通道位于監(jiān)測接收機的前端，本文設計的預選接收通道主要完成對20MHz～8GHz射頻輸入信號的抗混疊預選、低噪聲放大、變頻和中頻調理等功能。

預選接收通道主要由預選單元和變頻單元兩個部分組成。預選單元用于對輸入射頻信號的窄帶預選，如圖1所示。20MHz～8GHz頻段共用10路預選濾波器，按照預選頻段通過電子開關選擇相應的預選濾波器進行濾波。

圖1 預選接收通道原理圖

預選接收通道上使用大量預選濾波器，主要包括：20MHz～1.5GHz頻段的預選器為4個電調諧跟蹤預選濾波器；1.5GHz～2.5GHz頻段的預選器為高低通組合的帶通濾波器；2.5GHz～8GHz頻段的預選器為微帶帶通濾波器。

天線將接收到的射頻信號通過預選接收通道的輸入端口送到預選單元。根據(jù)頻率不同，選擇不同的預選濾波器，將預選濾波后的射頻信號送至變頻單元，變頻單元對預選后的射頻信號進行低噪聲放大、變頻、中頻調理，最終為信號采集板提供140MHz模擬中頻信號。變頻單元采用兩級變頻方案，其中一本振使用的是5GHz~10GHz調諧本振；二本振采用固定本振信號，其中20MHz~3.6GHz采用的是5.085GHz固定二本振，3.6GHz~8GHz采用的是1.835GHz固定二本振。

2 預選接收通道設計與實現(xiàn)

2.1 電調濾波器設計

本文設計的預選接收通道在20MHz～1.5GHz頻段采用電調諧濾波器。由于YIG小球的調諧線性度在V/UHF頻段會顯著惡化，難以滿足應用要求，故在該波段采用基于變容二極管的電調LC濾波器技術實現(xiàn)跟蹤預選器設計，其等效電路模型如圖2所示[4]。

圖2 電調LC濾波器模型

該濾波網(wǎng)絡的傳輸函數(shù)為：

取Z0 =Z4=jωL，Z1 =Z3 =-j/ωC1，Z5=R。帶入式（1）得：

在實際應用中，用變容二極管代替可調電容Z1、Z2、Z3，可變電感器代替電感Z0、Z4。通過控制變容二極管兩端的電壓來改變容值，從而實現(xiàn)中心頻率的調諧，但是受變容二極管靜態(tài)電容容量、Q值和變容比的限制，一個LC電調濾波網(wǎng)絡很難覆蓋20MHz～1.5GHz這樣寬的頻率范圍的，因此需要選擇多種型號規(guī)格的變容二極管，并針對具體型號變容二極管設計多組LC電調濾波網(wǎng)絡，分段覆蓋整個工作頻率范圍。本文設計4個電調諧濾波網(wǎng)絡，組成電調諧濾波器組，從而使調諧頻率覆蓋20MHz~8GHz。每個電調濾波器的調諧電壓為0.5-25V，所有電調濾波器均通過仿真設計。同時由于控制電壓與變容二極管的容量之間存在非線性關系，變容二極管的容量與電調濾波網(wǎng)絡的中心頻率之間也存在非線性關系，因此應用中需事先獲取控制電壓與中心頻率之間的關系曲線，保證中心頻率控制的準確性。

現(xiàn)對其中一個電調濾波器進行介紹，圖3為20MHz~ 80MHz電調濾波器的原理圖，使用變容二極管和電感、電容設計。

圖3 20MHz~80MHz電調濾波器原理圖

對濾波器進行了仿真設計，性能良好，圖4為該濾波器兩個頻點的仿真結果，仿真插入損耗小于1dB。經(jīng)調試，該電調諧濾波器的頻率范圍可以覆蓋20MHz~80MHz，實測指標和仿真結果吻合良好，完全滿足設計要求，該電調濾波器性能優(yōu)良。

圖4 20MHz~80MHz電調濾波器的仿真結果

2.2 高低通組合濾波器設計

預選接收通道上1.5GHz~2.5GHz頻段的預選濾波器為1個高低通組合濾波器，由于1.5GHz~2.6GHz頻段濾波器的相對帶寬達到53.6%，使用微帶帶通濾波器難以實現(xiàn)如此大的頻寬，因此該濾波器采用“高通濾波器+低通濾波器”組合的形式，構成一個帶通預選濾波器。

高低通組合濾波器由1.5GHz高通濾波器和2.5GHz低通濾波器級聯(lián)組成，其中1.5GHz高通濾波器采用橢圓函數(shù)高通濾波器，過渡帶更加陡峭，對帶外有較高的抑制，電容采用集總電容，電感采用微帶線在印制板上實現(xiàn)；2.5GHz低通濾波器同樣采用橢圓函數(shù)低通濾波器，該濾波器電感和電容均在印制板上采用微帶線實現(xiàn)，不使用集總電容、電感，因此該低通濾波器的一致性較高。1.5GHz高通濾波器和2.5GHz低通濾波器級聯(lián)，即形成高低通組合的帶通濾波器，電路圖如圖5所示，仿真結果如圖6所示。

圖5 1.5GHz~2.5GHz高低通組合濾波器原理圖

圖6 1.5GHz~2.5GHz高低通組合濾波器仿真結果

2.3 微帶帶通濾波器設計

本文2.5GHz～8GHz頻段的跟蹤預選器在PCB板上采用開關濾波實現(xiàn)，寬帶開關濾波通道由微波電子開關和多個不同頻率的固定帶通濾波器組成，根據(jù)輸入信號頻率使用微波電子開關選通相應頻率的固定帶通濾波器對輸入信號進行預選濾波。預選接收通道上2.5GHz~8GHz頻段的濾波器為5個微帶帶通濾波器，共同組成微帶帶通預選濾波器組，從而完成2.5~8GHz頻段的信號預選功能。

本文對固定濾波器性能要求極高：監(jiān)測接收機的顯示平均噪聲電平主要受預選收通道的噪聲系數(shù)影響，因此要求濾波器有盡可能小的插入損耗，為保證監(jiān)測接收機的性能，每個濾波器的插入損耗均應小于3dB；為了保證輸入端口駐波指標，要求濾波器帶內駐波比小于1.5；高波段本振信號距帶通濾波器通帶僅幾百MHz,為滿足接收機輸入端口本振饋通指標，要求濾波器對本振信號的抑制達到70dB以上；為滿足鏡頻抑制要求，要求濾波器對輸入信號的鏡頻抑制大于80dB。除此之外，還要求濾波器具有體積小、易于和印制板集成、成本低、加工調試方便、一致性好等特點。

固定濾波器有多種，為滿足上述需求則需尋求最優(yōu)的濾波器形式。在GHz頻段，由于電容和電感寄生參數(shù)的影響，且該頻段電容和電感本身精度對濾波器影響較大，LC濾波器不能滿足需求；腔體濾波器具有插入損耗小、帶外抑制高的優(yōu)點，但其體積較大、加工成本高、調試復雜，因而不符合本項目需求；介質濾波器適于GHz頻段應用，具有插入損耗小、帶外抑制大和體積小的優(yōu)點，但由于其加工和調試比較復雜、不易與印制板集成，不適于應用在本項目中；微帶濾波器是一種平面結構濾波器，其半開放結構導致該濾波器插入損耗較大、帶外抑制低，其優(yōu)點是成本低、加工方便、免調試、易于和印制板集成。經(jīng)綜合考慮，本項目微帶濾波器作為預選濾波器，但須重點攻克降低插入損耗、提高帶外抑制問題。

由于印制板面積有限，要求每個微帶濾波器結構緊湊，適合本項目印制板應用、結構緊湊的微帶濾波器主要有兩種：微帶交指濾波器和微帶發(fā)夾濾波器。微帶交指濾波器的耦合諧振單元是四分之一波長微帶線，微帶線一端開路，另一端通過過孔接地。由于接地過孔的影響，微帶交指濾波器的帶內插損較大、帶內平坦度較差。微帶發(fā)夾濾波器是將平行耦合的半波長諧振線對折，可以減小體積，在設計中要綜合考慮諧振線對折后的間隙耦合，在長度和間隙上做適當修正[5]。

微帶發(fā)夾濾波器具有結構緊湊、指標良好等特點，因此，決定選用微帶濾波器的形式?，F(xiàn)對3.6GHz~4.7GHz微帶帶通濾波器進行介紹。

圖7為3.6GHz~4.7GHz微帶發(fā)夾濾波器，該濾波器由兩端開路的“U”形1/2波長微帶線相互交叉排列組成。該濾波器電長度為通帶的中心頻率的1/2波長，兩端通過50歐姆微帶線引出。微帶發(fā)夾濾波器設計比較復雜，調整參數(shù)多，為保證濾波器的性能，對該濾波器進行了仿真，以驗證其性能，圖8為仿真結果。

圖7 3.6GHz~4.7GHz微帶發(fā)夾濾波器

圖8 7GHz~8GHz微帶發(fā)夾濾波器仿真結果

其余4個微帶濾波器的設計與上面介紹的內容類似，限于篇幅，此處不對其進行一一介紹。

3 總結

本文給出了一種監(jiān)測接收機預選接收通道的實現(xiàn)方案，介紹了20MHz-1.5GHz頻段電調諧跟蹤濾波器的設計方案以及仿真結果。同時，分析了微帶濾波器的優(yōu)缺點，并設計實現(xiàn)了2.5GHz-8GHz頻段微帶濾波器的實現(xiàn)方案及仿真結果。本文的研究方法及結果對其它類型監(jiān)測接收機預選器的設計也具有一定的參考意義。