带STC控制的射频前端设计

王喆 杨顾晶 黄赛能

摘要：本文介绍了某接收通道带STC控制的射频前端的设计思路，对比了多种实现方案，通过详细的理论计算得出模块的指标，从射频前端的电源单元、控制单元、低噪声放大单元等几方面阐述射频前端的设计过程，仿真计算与测试结果表明模块满足设计要求。

关键词：STC控制;射频前端;接收通道;低噪声放大

1引言

随着电子技术发展，电子环境复杂，对接收通道的动态范围、灵敏度等方面提出了更高的要求，为了提高接收通道灵敏度，扩大动态范围，防止目标较近时，信号较大引起信号的失真，通常在射频前端中设计STC时间灵敏度控制。本文介绍的带STC控制功能的射频前端应用于某设备接收通道的前端，主要用于对接收信号进行低噪声放大功能，能够根据输入信号的时间调节射频前端内的数控衰减器的衰减值，保证接收通道的线性放大。

2 设计方案选择

在实际的信号环境下，进入射频前端频带内的信号频谱很多，除了有用信号频率外，还有杂波和干扰信号频率。对于近距离的干扰，射频前端的低噪声放大器会在干扰源的作用下提前进入饱和状态，导致难以检测有用的信息。

通常射频前端由限幅器、低噪声放大器、滤波器等组成，原理框图见图1。为了提高接收通道灵敏度，扩大动态范围，增加了STC数控衰减器，一般有STC前置、STC后置两种，按照本项目使用需求，对电路设计进行了优化，采用STC前置切换方案进行设计。

STC前置方案是将STC置于低噪声放大器前级，在限幅器与低噪声放大器之间插入数控衰减器，该方案优点接收通道动态范围大，在接收大信号的情况下不会出现低噪声放大器饱和过载，但是噪声系数会变大。

STC后置方案是将数控衰减器置于低噪声放大器后级，该方案优点是接收通道噪声系数低，但是易受低噪声放大器的1dB压缩点的限制，在接收大信号的情况下会出现接收通道饱和过载。

STC前置切换方案是将STC置于低噪声放大器前并通过切换开关选择是否接入，射频前端原理框图如图2所示。

采用在限幅器与低噪声放大器之间插入两个单刀双掷开关，在接收大信号时，信号进入数控衰减器支路送入低噪声放大器;在接收小信号时，开关切换为直通，相当于只增加两个单刀双掷开关的损耗。

该方案在大信号下扩充了射频前端的动态范围，不会出现饱和过载，同时保证了小信号的接收能力。

3 设计过程

3.1电源单元设计

电源单元的工作原理如图3所示，外部提供电源为+15V。+15V先经DC/DC转换器转换为+5.5V，再分别经过两路LDO稳压器，其中一路稳压到+5V后供给低噪声放大模块，另一路稳压到+3.3V后供给控制单元。这样设计的好处是数字部分和模拟部分的用电是分开，防止数字电路通过电源干扰射频模块。

3.2控制单元设计

控制单元主要由FPGA、LDO和LVDS收发芯片等组成，控制单元原理框图如4所示，主要功能有两部分，一方面将从外部输入的LDVS串行STC控制码进行解码，然后并行传输给对应低噪聲放大模块，完成对通道增益的控制，另一方面对低噪声放大模块上报的故检信号进行汇总后通过指示灯显示故障状态，同时进行输出。

3.3低噪声放大模块设计

低噪声放大模块主要由限幅器、射频开关、数控衰减器、放大器、滤波器、隔离器等器件组成，低噪声放大模块的原理框图如图5所示，主要功能是完成对接收信号的限幅、低噪声放大和滤波，同时可以根据需求进行STC控制。

3.4仿真计算

在设计时，我们优选噪声系数低和增益高的放大器，可以降低噪声系数。限幅器在满足耐功率的前提下，选用低插损的器件，本项目选用的限幅器插入损耗优于0.5dB，由于PIN二极管开关芯片比GaAS开关芯片的插损低，因此我们选用PIN二极管开关芯片，插入损耗约0.3dB。放大器1选用低噪声放大器，噪声系数为0.6dB，增益为28dB，放大器2的噪声系数为1.8dB，增益为18dB。将选用元器件的噪声系数和增益值，代入仿真软件，由原理框图计算结果如图6所示。直通通道噪声系数为1.9dB，满足要求。

从仿真图可以看出，低噪放模块的增益设计值为35dB，并且留有余量，设计中电路布局会留有PI型衰减电阻位置，可以用来调节整个放大单元的增益。

STC固定衰减值，经过测试均符合指标要求，同时对STC衰减曲线进行了测试，测试结果如图7所示，曲线光滑无明显震铃现象，满足要求。

4 总结

本文详细介绍了带STC控制的射频前端各功能模块的设计过程，该组件的测试结果是：在要求的频带范围内，增益G为35dB±1dB，噪声系数NF≤2.0dB，STC衰减功能满足设备指标要求。该组件已成功应用某设备接收通道，在接收大信号时具有较好的分辨能力，生产工艺成熟，可靠性高，能满足批量生产的要求。

参考文献：

[1] 顾继慧，李鸣.射频与微波电子学.北京：电子工业出版社，2012.

[2] 刘长军.射频通信电路设计.北京：科学出版社，2005.

[3] 江颖，王勤，邓凯华.带STC控制系统的RF-IF放大器组件的研制[J].低温与超导，2007年04期.