多通道甚高频超外差式接收机的设计

钱梦园 杨国斌 张援农 姜春华

摘  要： 针对甚高频天线阵信号的同时接收中存在信噪比差异过大以及信号质量不好等问题，设计一种通道差异小、噪声低、灵敏度高、动态范围大的多通道甚高频超外差式接收机。该设计采用高灵敏度和大动态范围的超外差式接收机结构，前级放大器采用低噪声、高增益的放大器来降低整个接收机的噪声系数，并选择合理的预选滤波器和中频滤波器抑制镜像频率的干扰，链路中还采用匹配网络调节通道增益，使各个通道间的增益差异在合理的范围内，中频放大器选择合理的1 dB压缩点放大器以保证接收机的动态范围足够大。该设计在经过测试后，各项接收指标均满足要求，可广泛应用于雷达、通信领域。

关键词： 超外差接收机; 甚高频天线; 滤波器选择; 前级放大器; 通道增益调节; 匹配网络

中图分类号： TN851.4?34                         文献标识码： A                        文章编号： 1004?373X（2019）09?0001?04

Design of multi?channel VHF superheterodyne receiver

QIAN Mengyuan， YANG Guobin， ZHANG Yuannong， JIANG Chunhua

（School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430072， China）

Abstract： Since the simultaneous reception of VHF antenna array signals has the problems of unsuitable signal?to?noise ratio and poor signal quality， a multi?channel VHF superheterodyne receiver with small channel difference， low noise， high sensitivity and wide dynamic range is designed. The superheterodyne receiver structure with high sensitivity and wide dynamic range is adopted in the design. The low?noise high?gain amplifier is used as the preamplifier to reduce the noise coefficient of the entire receiver， and the reasonable preselection filter and intermediate frequency （IF） filter are selected to suppress the interference of the image frequency. The matching network is used in the link to adjust the channel gain to make the gain difference among all the channels within the reasonable range. A reasonable 1 dB compression point amplifier is selected as the IF amplifier to ensure the enough dynamic range of the receiver. The test results show that the receiving indicators of the receiver can meet the requirements， and the receiver can be widely used in radar and communication fields.

Keywords： superheterodyne receiver; VHF antenna; filter selection; preamplifier; channel gain adjustment; matching network

0  引  言

接收機是雷达、通信系统中的“传感器”，是提取外界有用的信息并传输给系统的数据处理模块。如果接收机设计的不好，系统就无法获得有效、实时的外界信息，因此设计一个性能良好的接收机可以极大地提高系统的探测能力。在多通道甚高频雷达系统中，由于其探测的范围广，天线阵多，一般的接收机会出现射频（RF）输入信号少、中频（IF）输出信号质量差、通道之间的信号差异大等问题而给后续的信号处理带来困难。本文主要针对这些问题进行分析并设计出合理的多通道甚高频接收机。

常见的接收机类型有超外差接收机、直接下变频接收机、镜像抑制接收机、数字零中频接收机、直接数字式接收机。本文接收机的设计架构选择为超外差接收机，它具有灵敏度高、动态范围大、增益高、稳定性强、中频频率低等特点，可以非常好地满足本文的设计需求。

超外差式接收机的框图如图1所示，其主要功能是对接收到的信号进行前置滤波、前级放大、混频、中频滤波、中频放大，得到中频信号并传送至系统后面的信号处理模块。前置滤波器的作用是滤除带宽外的信号并抑制镜像频率信号，中频滤波器决定超外差接收机的中频以及接收带宽，通过两级滤波以及分频段放大可以提高输出信号的稳定性以及抑制杂散。

图1  超外差接收机流程图

1  接收机的重要指标

1.1  灵敏度

一般情况下，灵敏度高的接收机能够识别更微弱的回波信号。灵敏度主要由接收机的噪声系数决定，而且噪声系数还会影响回波信号的信噪比，因此，设计接收机时要将噪声系数控制得尽量小。灵敏度一般用能辨识的最小信号[Smin]表示：

[Smin=-174  dBm+10lg Fs+10lg B+KSNR+Km] （1）

式中：[Fs]为接收机的噪声系数;[B]为中频带宽，单位为Hz;[KSNR]为接收机可分辨的最小信噪比，一般情况下取[KSNR]=0，单位为dB;[Km]为信号调制特性的函数，一般情况下取[Km]=0，单位为dB。

1.2  噪声系数

噪声系数（[Fs]）表征接收机内部噪声的大小，定义为接收机输入信噪比和输出信噪比的比值：

[Fs=F1+F2-1G1+F3-1G1G2+…+Fn-1G1G2…Gn-1] （2）

式中：[F1]，[F2]，…，[Fn]为第1级、第2级，…，第[n]级的噪声系数;[G1]，[G2]，…，[Gn-1]为第1级、第2级，…，第[n-1]级的增益。

1.3  动态范围

动态范围（DR）决定接收机所允许的功率輸入范围，动态范围越大表明接收机所能允许雷达探测的范围越大。常用的有1 dB增益压缩点动态范围（[DR-1]）和无失真信号动态范围（[DRsf]）。1 dB增益压缩点动态范围的定义为：当接收机的输出功率达到产生1 dB压缩时，输入信号的功率与灵敏度之比，即[DR-1=Pi-1Smin]。无失真信号动态范围是指接收机的三阶交调等于灵敏度时，接收机输入的最大信号功率与灵敏度之比，即[DRsf=PisfSmin]。正常情况下，两者之间的关系为：

2  接收机设计

2.1  接收机设计指标要求

根据科研中的实际要求，多通道甚高频接收机需要6个通道，工作频率范围为30～60 MHz。每个通道的具体指标要求为：

接收机频率范围为30～60 MHz;灵敏度≤-113 dBm;线性动态范围≥70 dB;增益≥50 dB;通道间增益差异≤3 dB;接收带宽为120 kHz。

2.2  接收机的设计

本文设计中是实现对已知频段的信号进行接收和提取有用信息，因此可以采用与接收信号相匹配的本振得到固定中频的输出。为了抑制镜像频率干扰，根据接收机频率范围，选取中频（IF）为71.4 MHz。预选滤波器选择的工作频段为24.4～61.5 MHz，IF滤波器选择的工作频率为71.4 MHz，带宽为120 kHz。

根据式（1）和灵敏度、接收带宽要求，可以得到接收机的噪声系数应该不大于11.8 dB。为使IF输出信号的质量足够好，应尽量降低噪声系数。根据式（2）可知，前级放大器应该选择一个低噪声、高增益的放大器。选择的低噪声放大器为Gali?74+。增益在30～60 MHz为25.1 dB，噪声系数[F1=]2.7 dB。理论上，这样可将噪声系数控制在4 dB以下。

为了实现高的动态范围和高的隔离度，混频器选择LAVI?2AH，它的最大本振信号输入功率可达25 dBm，RF输入信号功率最高为24 dBm，1 dBm压缩点功率为23 dBm，具有较大的线性输入动态范围，它的三阶交调点为34 dBm，工作频率为2～1 100 MHz，而典型的本振（LO）输入信号与射频输入信号的隔离度以及LO输入信号与IF输出信号的隔离度分别为48 dB，47 dB。

根据线性动态范围以及增益的要求，IF放大器的1 dB压缩点要足够高且增益也要很高，考虑到实际情况，IF放大器用两个放大器级联的方式来实现。IF放大器1采用SGA4563芯片，其增益为28 dB，IF放大器2采用Gali?74+芯片，其增益为25.1 dB，1 dB压缩点[Po?1=]19.2 dBm。

匹配网络是π型电阻网络，用于前后级的阻抗匹配以便于芯片能正常工作，还可以调节各个通道的增益，保证各个通道之间的增益一致。最后设计的超外差接收机的单个通道的框图如图2所示。其中，限幅器的作用是用于保护接收机，其最大耐压值为25 kV，LO信号通过6分1功分器来提供给6个通道，保证各个通道的本振一致。

图2  单个通道甚高频超外差式接收机结构框图

3  接收机测试

测试方法是通过信号源输出信号给接收机的输入端，将接收机的输出信号接入到射频信号分析仪中进行分析。信号源的型号为罗德与施瓦茨公司旗下的SMB?100 A，输出频率为9 kHz～3.2 GHz，输出功率为-145～30 dBm。射频信号分析仪型号为可方便携带的N9912A，生产厂家为安捷伦公司，最高测试频率可达4 GHz。

3.1  灵敏度测试

测试灵敏度时，首先使信号源输出为零，通过使用衰减器把接收机增益控制在0 dB附近，使频谱分析仪上有一噪声指示值，如图3a）所示，噪声指示值为-123.6 dBm。然后使信号源有一定的输出，并微调频率使其输出为最大，如图3b）所示，此时信号源的输出功率为-122.4 dBm。再调节信号源输出功率，使接收机输出功率的指示值为前者的2倍，即多3 dB，此时接收机输入端的功率即为雷达接收机的灵敏度，如图3c）所示，此时信号源的输出功率为-119.6 dBm，即灵敏度[Smin=]-119.6 dBm。

3.2  线性动态范围测试

无失真动态范围的测试方法为：从接收机灵敏度的值开始不断增大信号源的输出功率，使射频信号分析仪的指示值达到无失真的临界点，此时底部噪声的功率保持一个不变的临界点，即为-122 dBm左右。此时信号源输出的功率即为无失真动态范围的最大值，如图4a）所示，即为-60.12 dBm。可以算得无失真动态范围为[DRsf=]-60.12-[Smin=]59.48 dB。

1 dB压缩点的动态范围测试方法为：调节信号源的输出功率，使射频信号分析仪的指示值为0 dBm左右，然后增大信号源的输出功率，观测射频信号分析仪的增长情况，当信号源输出信号增大10 dB，而射频信号分析仪上的输出信号仅增大9 dB时，此时信号源的输出功率即为接收机输入信号的1 dB压缩点，如图4b）所示，1 dB压缩点为-42.97 dBm。

图3  灵敏度测试结果

图4  无失真动态范围测试结果

可以算得1 dB压缩点的动态范围为DR-1=-42.97-[Smin]=76.63 dB，和式（3）非常相符。接收机的动态范围一般指的就是1 dB压缩点的动态范围。

3.3  增益测试

增益测试的方法为：接收机输出不接任何衰减器，信号源输入适当的功率，读取射频分析仪上的输出功率指示值，指示值与输入功率之间的差值即为接收机增益。

3.4  接收带宽测试

接收带宽测试方法为：选取适当的信号源输出功率，获得最大的中频输出功率如图5b）所示。然后微调信号源的输出频率，当中频输出的信号功率下降3 dB时，对应的频率为[f1]，[f2]，如图5a），图5c）所示。可以算得接收带宽[B=f2-f1=]128 kHz。

图5  接收带宽测试结果

3.5  多通道甚高频超外差接收机测试结果

依次对6个通道进行测试，测试结果如表1所示。可以看出各个通道的灵敏度、动态范围、增益、接收带宽均满足设计要求，且通道之间的增益差异小于3 dB，也满足设计的要求，可以实现对天线阵信号的等效接收。

4  结  语

本文针对多通道VHF雷达系统接收机的一些问题，提出其接收机设计的指标，并设计一种多通道甚高频超外差接收机。经过测试，灵敏度、动态范围、增益、通道差异以及接收带宽的测试结果均满足设计指标要求，保证了科研工作中得到的數据的可靠性与有效性，对于通信、雷达系统的多样化具有较大的意义。

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