双通道超外差式接收机的设计

摘 要超外差式接收机由于具有高增益、大动态范围、高灵敏度等特点收机在雷达、通信领域运用广泛。本文设计了一款用于射频仿真幅相校准系统的双通道超外差式接收机，该超外差式接收机的结构一般由单刀5掷开关、变频器、功率放大器、滤波器等组成，接收机工作频段为6～18GHz，灵敏度优于-120dBm，动态范围优于75dB，满足系统的设计指标。

【关键词】超外差式接收机 接收机 灵敏度 接收机线性度 幅相 校准系统

1 超外差式接收机

接收机作为通信、雷达系统的重要组成部分对系统的性能有着直接的影响，因此设计一个高性能的接收机对于电子系统是至关重要的。接收机的作用为接收空间辐射的电磁波并对接收的电磁波进行滤波、放大，滤除掉，干扰信号和杂波，得到回波信号进行处理。整个过程需要对电磁信号的频谱进行分割和搬移，并且不能产生额外的干扰。

典型的接收机有晶体视频接收机、超外差式接收机、直接下变频式接收机、镜频抑制接收机等类型。超外差式接收机由于具有灵敏度高、采样难度低、抗干扰能力强等特点，成为了当前最主流的设计构架。本文也采用超外差式接收机的结构进行研究设计。

超外差式接收机的框图如图1所示。超外差式接收机的主要功能为对接收到的信号进行功率放大、混频，输出一个中频信号，给后面的信号处理器进行信号处理。超外差接收机的设计关键为信号放大后的信噪比控制和经过混频后的杂散信号的抑制。

2 双通道超外差式接收机的设计

2.1 双通道超外差式接收机指标要求

本文所依照的项目要求双通道接收机工作频率范围为6～18GHz，共有两个通道，每个通道接收机能够输入5个信号并可以对5个信号进行选择。每个通道具体的指标要求为：

（1）接收机频段：6～18GHz；

（2）灵敏度：≤-120dBm；

（3）线性动态范围：≥-75dB；

（4）中放输出频率：10.7MHz±2.5KHz；

（5）中放输出电平：≥-5dBm。

2.2 双通道超外差式接收机的设计

由于该接收机的使用场景为已知特定信号的接收和分析，因此可以采用变本振的方式实现10.7MHz的固定中频输出。同时，系统还要求该接收机能够实现每个通道5个信号的选择接收，因此需要选用单刀5掷的射频开关对信号进行选择。

根据接收机的设计要求，给出了双通道超外差式接收机的结构框图如图2，该双通道式超外差接收机采用两个单刀5掷开光（SP5T）实现了5路信号的选择输出，通过功分器将本振信号公分后分别与两个混频器混频输出，混频后的信号为固定中频。

根据提出的系列指标，对接收机链路进行分析与计算。为下一步电路的设计提供依据。主要对噪声系数、增益、动态范围进行计算。

接收机的灵敏度指的是接收机在给定的噪声功率的情况下接收、检测信号的能力。接收机的灵敏度与接收机的噪声系数、中频带宽都有关系。越小的噪声系数，越窄的中频带宽可以提高接收机的灵敏度。根据灵敏度的指标可以确定系统的噪声系数。

灵敏度与噪声系数的对数形式关系式为：

（1）

式中，S（min）代表接收机的灵敏度为-120dBm。K指波尔兹曼常数-198.6dBm。T指常温下的噪声温度24.669dBm。B：中频带宽（或检测器前滤波器带宽）取5KHz，36.99dB。F：接收机系统噪声系数（待求量）。M：接收机检测器所需的最小信噪比，这里取5dB。代入式（1）中计算出结果为：

（2）

根据计算出的值，可以确定要达到-120dBm灵敏度的指标需要系统噪声系数在11.941以下。在选择器件时需要选择低噪声的器件，且合理分配各个器件的噪声使整个系统噪声系数在11dB以下。

由接收机的最大输出电平（-5dBm）、动态范围（75dB）、最小接收电平（灵敏度-120dBm）可以计算出接收机整体的增益为：

（3）

由式（3）可以算出整个链路的整体增益为40dB，即中频放大器必须要达到55dB的增益，才能使链路整体增益达到40dB以上，因此可以采用两级放大再加可调衰减器的形式对中频信号进行放大。同时，选用的SP5T开关以及混频器要保证插损足够小，使在链路整个频段内的增益达到指标要求。

动态范围指的是接收机系统处理不同功率的信号的能力，不同的系统对于动态范围有不同的方法来描述。对于校准接收机来说，由于校准接收机结构简单、工作环境没有强干扰，线性动态范围成为了我们关注的重点。

接收機线性动态范围的定义为最小可接收功率与整个链路的1dB压缩点之间的差：

（4）

接收机的最小可接收功率为-120dBm，线性动态范围指标为75dB，即接收机的整体1dB压缩点要高于-45dBm，在链路设计过程中需要选择合适的混频器和中放。

2.3 双通道超外差式接收机的测试

2.3.1 灵敏度测试

接收机的灵敏度指的是接收机接收信号的能力的强弱，一般来说，指的是接收机能够分辨到的最小的信号。对于校准装置来说，为了保证测量的精度，输入到矢量网络分析仪中的信号信噪比需要大于10dB，校准接收机的灵敏度指标为-120dBm，因此测量当信号源输入信号为-120dBm时输出信号的信噪比，测量结果如图3所示。

从测试结果可以看出，当输入信号的功率为-120dBm时，两个通路的信噪比在10dB以上，满足矢网的使用精度要求，说明接收机的灵敏度可以达到-120dBm。

2.3.2 线性度测试

当输入功率增大到一定的程度时，由于信号太大增益会降低1dB，此时的输入功率减去接收机的灵敏度就是接收机的线性动态范围。要求接收机的线性动态范围达到75dB，即当输入功率为-45dBm时，输出信号的增益压缩需要在1dB以内。测量时，信号源的输出功率为-45dBm，测量这个时候的增益再与-120dBm时的增益相减，测量结果如图4所示。

从测试结果可以看出，6～18GHz频段内增益压缩比小于0.3dB，满足增益压缩比小于1dB的条件，因此，接收机的线性动态范围达到了75dB以上。

3 总结

本文设计了一款用于射频仿真校准系统的双通道超外差式接收机，用于射频仿真校准系统，满足了系统灵敏度和动态范围指标，对于提高射频仿真校准系统性能以及射频仿真目标模拟的精度具有较大的工程意义。

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作者介绍

刘力珲（1993-），男，四川省泸州市人。南京航空航天大学硕士。研究方向射频系统设计与仿真。

作者单位

南京航空航天大学 江苏省南京市 210000