监测接收机预选接收通道设计

卢建国

（中电科思仪科技股份有限公司，山东青岛，266555）

0 引言

随着军用和商用无线电技术的发展，电磁环境越来越复杂，不同设备之间的频谱干扰现象越来越明显，对空间中无线电信号的电磁频谱监测是一个重要领域。监测接收机作为频谱监测领域的专用仪器，具备无线电信号的搜索、分析、测向、定位等多种功能，能够满足复杂电磁环境下的频谱监测功能[1,2]。

预选接收通道作为监测接收机的核心部件之一，直接影响接收机的射频性能指标。根据接收通道的结构不同，可分为超外差结构、零中频结构和直接采样结构。通过对比三种结构的优、缺点，本文设计的预选接收通道采用超外差结构。超外差结构主要有一下优点：（1）通过多次变频处理，有较好的频率隔离度，有效减少本振信号的泄露；（2）通道增益可以分配到不同的频段进行设计，减少噪声对输出信号的影响；（3）可经过多次滤波，减小干扰信号，提高系统的抗干扰能力[2,3]。

1 接收通道原理

预选接收通道位于监测接收机的前端，本文设计的预选接收通道主要完成对20MHz～8GHz射频输入信号的抗混叠预选、低噪声放大、变频和中频调理等功能。

预选接收通道主要由预选单元和变频单元两个部分组成。预选单元用于对输入射频信号的窄带预选，如图1所示。20MHz～8GHz频段共用10路预选滤波器，按照预选频段通过电子开关选择相应的预选滤波器进行滤波。

图1 预选接收通道原理图

预选接收通道上使用大量预选滤波器，主要包括：20MHz～1.5GHz频段的预选器为4个电调谐跟踪预选滤波器；1.5GHz～2.5GHz频段的预选器为高低通组合的带通滤波器；2.5GHz～8GHz频段的预选器为微带带通滤波器。

天线将接收到的射频信号通过预选接收通道的输入端口送到预选单元。根据频率不同，选择不同的预选滤波器，将预选滤波后的射频信号送至变频单元，变频单元对预选后的射频信号进行低噪声放大、变频、中频调理，最终为信号采集板提供140MHz模拟中频信号。变频单元采用两级变频方案，其中一本振使用的是5GHz~10GHz调谐本振；二本振采用固定本振信号，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 预选接收通道设计与实现

2.1 电调滤波器设计

本文设计的预选接收通道在20MHz～1.5GHz频段采用电调谐滤波器。由于YIG小球的调谐线性度在V/UHF频段会显著恶化，难以满足应用要求，故在该波段采用基于变容二极管的电调LC滤波器技术实现跟踪预选器设计，其等效电路模型如图2所示[4]。

图2 电调LC滤波器模型

该滤波网络的传输函数为：

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

在实际应用中，用变容二极管代替可调电容Z1、Z2、Z3，可变电感器代替电感Z0、Z4。通过控制变容二极管两端的电压来改变容值，从而实现中心频率的调谐，但是受变容二极管静态电容容量、Q值和变容比的限制，一个LC电调滤波网络很难覆盖20MHz～1.5GHz这样宽的频率范围的，因此需要选择多种型号规格的变容二极管，并针对具体型号变容二极管设计多组LC电调滤波网络，分段覆盖整个工作频率范围。本文设计4个电调谐滤波网络，组成电调谐滤波器组，从而使调谐频率覆盖20MHz~8GHz。每个电调滤波器的调谐电压为0.5-25V，所有电调滤波器均通过仿真设计。同时由于控制电压与变容二极管的容量之间存在非线性关系，变容二极管的容量与电调滤波网络的中心频率之间也存在非线性关系，因此应用中需事先获取控制电压与中心频率之间的关系曲线，保证中心频率控制的准确性。

现对其中一个电调滤波器进行介绍，图3为20MHz~ 80MHz电调滤波器的原理图，使用变容二极管和电感、电容设计。

图3 20MHz~80MHz电调滤波器原理图

对滤波器进行了仿真设计，性能良好，图4为该滤波器两个频点的仿真结果，仿真插入损耗小于1dB。经调试，该电调谐滤波器的频率范围可以覆盖20MHz~80MHz，实测指标和仿真结果吻合良好，完全满足设计要求，该电调滤波器性能优良。

图4 20MHz~80MHz电调滤波器的仿真结果

2.2 高低通组合滤波器设计

预选接收通道上1.5GHz~2.5GHz频段的预选滤波器为1个高低通组合滤波器，由于1.5GHz~2.6GHz频段滤波器的相对带宽达到53.6%，使用微带带通滤波器难以实现如此大的频宽，因此该滤波器采用“高通滤波器+低通滤波器”组合的形式，构成一个带通预选滤波器。

高低通组合滤波器由1.5GHz高通滤波器和2.5GHz低通滤波器级联组成，其中1.5GHz高通滤波器采用椭圆函数高通滤波器，过渡带更加陡峭，对带外有较高的抑制，电容采用集总电容，电感采用微带线在印制板上实现；2.5GHz低通滤波器同样采用椭圆函数低通滤波器，该滤波器电感和电容均在印制板上采用微带线实现，不使用集总电容、电感，因此该低通滤波器的一致性较高。1.5GHz高通滤波器和2.5GHz低通滤波器级联，即形成高低通组合的带通滤波器，电路图如图5所示，仿真结果如图6所示。

图5 1.5GHz~2.5GHz高低通组合滤波器原理图

图6 1.5GHz~2.5GHz高低通组合滤波器仿真结果

2.3 微带带通滤波器设计

本文2.5GHz～8GHz频段的跟踪预选器在PCB板上采用开关滤波实现，宽带开关滤波通道由微波电子开关和多个不同频率的固定带通滤波器组成，根据输入信号频率使用微波电子开关选通相应频率的固定带通滤波器对输入信号进行预选滤波。预选接收通道上2.5GHz~8GHz频段的滤波器为5个微带带通滤波器，共同组成微带带通预选滤波器组，从而完成2.5~8GHz频段的信号预选功能。

本文对固定滤波器性能要求极高：监测接收机的显示平均噪声电平主要受预选收通道的噪声系数影响，因此要求滤波器有尽可能小的插入损耗，为保证监测接收机的性能，每个滤波器的插入损耗均应小于3dB；为了保证输入端口驻波指标，要求滤波器带内驻波比小于1.5；高波段本振信号距带通滤波器通带仅几百MHz,为满足接收机输入端口本振馈通指标，要求滤波器对本振信号的抑制达到70dB以上；为满足镜频抑制要求，要求滤波器对输入信号的镜频抑制大于80dB。除此之外，还要求滤波器具有体积小、易于和印制板集成、成本低、加工调试方便、一致性好等特点。

固定滤波器有多种，为满足上述需求则需寻求最优的滤波器形式。在GHz频段，由于电容和电感寄生参数的影响，且该频段电容和电感本身精度对滤波器影响较大，LC滤波器不能满足需求；腔体滤波器具有插入损耗小、带外抑制高的优点，但其体积较大、加工成本高、调试复杂，因而不符合本项目需求；介质滤波器适于GHz频段应用，具有插入损耗小、带外抑制大和体积小的优点，但由于其加工和调试比较复杂、不易与印制板集成，不适于应用在本项目中；微带滤波器是一种平面结构滤波器，其半开放结构导致该滤波器插入损耗较大、带外抑制低，其优点是成本低、加工方便、免调试、易于和印制板集成。经综合考虑，本项目微带滤波器作为预选滤波器，但须重点攻克降低插入损耗、提高带外抑制问题。

由于印制板面积有限，要求每个微带滤波器结构紧凑，适合本项目印制板应用、结构紧凑的微带滤波器主要有两种：微带交指滤波器和微带发夹滤波器。微带交指滤波器的耦合谐振单元是四分之一波长微带线，微带线一端开路，另一端通过过孔接地。由于接地过孔的影响，微带交指滤波器的带内插损较大、带内平坦度较差。微带发夹滤波器是将平行耦合的半波长谐振线对折，可以减小体积，在设计中要综合考虑谐振线对折后的间隙耦合，在长度和间隙上做适当修正[5]。

微带发夹滤波器具有结构紧凑、指标良好等特点，因此，决定选用微带滤波器的形式。现对3.6GHz~4.7GHz微带带通滤波器进行介绍。

图7为3.6GHz~4.7GHz微带发夹滤波器，该滤波器由两端开路的“U”形1/2波长微带线相互交叉排列组成。该滤波器电长度为通带的中心频率的1/2波长，两端通过50欧姆微带线引出。微带发夹滤波器设计比较复杂，调整参数多，为保证滤波器的性能，对该滤波器进行了仿真，以验证其性能，图8为仿真结果。

图7 3.6GHz~4.7GHz微带发夹滤波器

图8 7GHz~8GHz微带发夹滤波器仿真结果

其余4个微带滤波器的设计与上面介绍的内容类似，限于篇幅，此处不对其进行一一介绍。

3 总结

本文给出了一种监测接收机预选接收通道的实现方案，介绍了20MHz-1.5GHz频段电调谐跟踪滤波器的设计方案以及仿真结果。同时，分析了微带滤波器的优缺点，并设计实现了2.5GHz-8GHz频段微带滤波器的实现方案及仿真结果。本文的研究方法及结果对其它类型监测接收机预选器的设计也具有一定的参考意义。