宽带射频接收通道的设计与实现*

2021-03-21周伟中王晶晶吴治霖

通信技术 2021年2期

周伟中，王晶晶，吴治霖

（深圳市网联安瑞网络科技有限公司，广东深圳 518026）

0 引言

目前，很多通信系统都使用了宽带接收机用于接收各种电磁信号。面对不同系统的不同要求，可选择各种原理的接收机，包括零中频接收机、超外差接收机、低中频接收机以及数字中频接收机等。阿姆斯特朗于1918年提出超外差接收机原理，到现在依然有很多接收机应用超外差结构构建接收机，被认为是一种指标高、性能可靠的接收机原理。超外差接收机是利用几次变频的原理，将接收到的射频信号与本振信号进行混频而产生一个低中频信号，便于AD芯片对其进行采样转变为数字信号处理[1]。超外差结构的接收机的缺点在于由于存在镜像频率，且镜像频率会与本振甚至中频混频产生组合频点干扰，通常需要Q值较高的滤波器用于滤去镜像频率干扰。

1 接收机的原理

1.1 接收机设计指标要求

本文的宽带接收机使用的是超外差原理，工作频率覆盖200～3 000 MHz，覆盖4个倍频程，灵敏度达到-90 dBm，中频带宽60 MHz，动态范围达到90 dB，可以实现在宽频带内接收各种信号。

1.2 接收机指标分析及系统设计

此接收机灵敏度要求为-90 dBm。接收机灵敏度定义为：在可以接受的误码率情况下，接收机射频输入端所能接收到的最低信号功率。它与几个系数有关，公式为[2]：

式中，P为灵敏度功率；NF为噪声系数；B为带宽；SNR为信噪比。从式（1）可以看出，灵敏度取决于噪声系数、中频带宽以及信噪比等参数。设计指标中规定中频带宽为60 MHz，所以接收机灵敏度主要取决于噪声系数。

噪声系数F是接收机输入信号与输出信号的比值，反映了信噪比的恶化程度，公式为：

当有多个系统级联的时候，总的噪声系数公式如下[3]：

式中，Fn和Gn分别是n级系统的噪声系数和增益。可以看出，前端系统的噪声系数对整个系统噪声系数影响是最大的。为了提高系统的灵敏度，达到项目指标要求，接收机系统设计如图1所示。

图1 接收机系统设计

该接收机由两个模块组成，分别是前段放大模块和接收变频模块。整个接收通道由前端放大模块和接收变频模块两个模块构成。天线接收到的射频信号通过前段放大模块首先进入限幅器，经过限幅后的信号通过定制滤波器送到射频放大器后再经过可调衰减进入接收变频模块。信号在接收频模块中先与一本振LO1混频产生一中频（4 000 MHz），然后经过滤波放大后再与固定本振LO2（3 860 MHz）混频，产生140 MHz的低中频信号输出给数字处理模块。

2 接收机电路设计及实现

2.1 前段放大模块的电路设计及实现

因为接收通道对灵敏度要求较高，覆盖频域宽，所以前端放大模块的指标很重要。前端放大模块的噪声系数对系统的噪声系数影响最大，所以前段模块不仅要有足够大的增益，还要考虑噪声系数、线性度等各种指标。

在设计和器件选型中，遵循以下要求：

（1）滤波器矩形系数低，带内衰减小，平坦度高；

（2）放大器线性度高，在高增益下无自激现象；

（3）在屏蔽腔体设计中，注意腔体空间设计，避免信号泄露及自身谐振的产生。

通过以上考虑，把初选滤波器组指标设计如下[4]。

（1）滤波通道1：通带200～550 MHz；50 dB阻带0～140 MHz、620～3 000 MHz；

（2）滤波通道2：通带490～1 630 MHz；50 dB阻带0～300 MHz、1 800～3 000 MHz；

（3）滤波通道3：通带1 570～3 000 MHz；50 dB阻带0～1 100 MHz、3.5～6 GHz；

（4）通带插入损耗≤3.5 dB（全温）；

（5）带内波动≤1 dB；

（6）驻波≤1.7；

（7）工作电源+5 V。

滤波器封装如图2所示。其中，距离单位为毫米。

为保证接收机在200～3 000 MHz内的技术指标，提高其动态范围，把前端滤波器划分成三段组成一个滤波器组，控制电平通过C1、C2控制引脚选通滤波器1/2/3，信号通过滤波器进入下一级放大器中。

图2 滤波器封装示意

放大器选择TriQuint公司的TQP3M9028低噪声固定增益放大器，工作频率覆盖50～4 000 MHz，Output IP3达到+40 dBm，固定增益14.7 dB，具体指标如表1所示[5]。利用ADS仿真软件对电路进行S参数仿真，电路图及仿真结果如图3和图4所示。

由仿真结果可见，该电路在使用频带内增益稳定，对带外信号滤波效果明显，符合设计要求。

射频信号通过射频放大器后输入数字衰减器，然后再通过宽带射频高增益放大器输出给下一级接收变频模块。设计的PCB电路图如图5所示。

表1 低噪声放大器指标

图3 ADS2017版仿真电路图及仿真结果

图4 S电路仿真

图5 前端放大模块PCB实现

每张放大模块有3个相同的通道，可以同时对3路信号进行滤波放大，控制IO信号和电源通过右上角H2A110FMDC接插件输入板卡。数字控制信号输入后，通过FPGA芯片控制通道衰减量和滤波器的通道选择。

2.2 接收变频模块的电路设计及实现

通过前段放大模块的信号经射频线缆输入至接收变频模块进行下变频，设计框图如图6所示。

中频频段的中心频率为140 MHz、瞬时带宽为60 MHz，射频接收频段最低到225 MHz，与中频带宽相邻近，加上对灵敏度和高增益的要求，采用直接的数字信号处理无法直接实现。此外，宽频带、大动态范围的设计要求也有很大难度。因此，从电子元器件到系统的宽带化设计成为射频前端电路模块的重要问题。本设计基于二次变频结构的宽带射频前端电路系统设计方案，降低了系统设计复杂度，提高了系统设计的灵活性。采用升变频的设计思路，首先将宽带射频信号上变频至一个合适的高频频段，然后将其下变频至系统需要的140 MHz中频频段进行处理，以将原本邻近的射频频段和中频频段进行有效分离。实现后印制板布线图如图7所示。

图6 接收变频模块原理设计

图7 接收变频模块PCB实现

本项目选择一中频为4 000 MHz，射频信号通过混频器与频率源输出的第一本振信号LO1进行混频。产生的中频信号经过一级数字可调衰减器后，通过中心频率为4 000 MHz的滤波器，对镜像频点进行第一次滤波。此滤波器的性能指标直接决定了对镜像频率的抑制效果，选用了定制的高频带通滤波器，指标如表2所示。

可以看出，在偏离中心频率250 MHz的通带外，此滤波器可以在常温下提供高达50 dB的高抑制。

进过一级滤波的信号再经过射频放大器后进入第二级同样的滤波器，对镜像频率进行第二次滤波。结果可见，经过两次滤波的信号完全可以满足对镜像信号dB抑制的指标。信号经过两次放大后会进行第二次混频，与频率源产生的第二本振信号LO2（3 860 MHz）进行混频，产生140 MHz下变频中频信号。中频信号通过宽带中频滤波器，滤除混频后的信号。此滤波器有着140 MHz、1 dB带宽≥66 MHz、插损≤2 dB、带内驻波≤1.5、矩形系数（K40/1即40 dB带宽除以1 dB带宽）≤2.2、带内纹波动≤0.5 dB的指标，能很好地滤除通带外的杂散信号。