宽带微波接收机的射频前端设计方法

武路杰

（中国电子科技集团公司第二十九研究所，四川成都，610036）

如今芯片技术和现代数字信号处理技术得到了普遍的使用，数字信号处理技术将传统的基带模拟处理技术进行了取代，软件无线电技术的使用范围也越来越广。软件无线电技术对DSP 和ADC 芯片技术进行了高效的利用，在器件工作频率快速提升的过程中，其体积会随之变小，使得其集成度越来越高，将系统功能损耗控制到最低。高度集成的宽带射频前端优势体现为接近实时信号处理、瞬时带宽宽度比较宽、高频率覆盖广和信息处理量比较大等，在现代接收机设计时，使用软件无线电技术以后，能够将其性能发挥到最佳水平。在使用纯数字的直接信号处理方式以后，数字处理迁建的工作频率和采样效率会受到不同程度的硬性，因此表现出了较强的局限性。所以，在设计宽带射频前端电路时，需要对其给予足够的重视，使得高性能宽带接收机设计工作取得最佳的效果。

1 射频前端对微波接收机的重要影响

如今接收机的类型也比较多，性能也变得越来越先进，其功能表现出了较强的通用化和复杂性。如今在对接收机进行研究时，注重对其功能损耗、自身重量和体积的控制，使得其先进性表现得更为突出。综合分析影响微波接收机的各项因素，要想使其性能得到显著的提升，就要优化设计接收机的射频前端结构，使得接收机的性能发生根本性的改变。射频前端的功能主要体现为幅度均衡、增益控制、预选信号和抗烧毁等，通过优化设计射频前端的各项功能，使得微波接收机变得更加先进。

2 射频前端的构成形式

■2.1 常用的接收机射频前端结构

微波接收机在接收有用的信号时，高电平干扰信号会造成恶劣的影响，使得信噪比出现了不同程度的变化，给信号处理造成了严重的不良影响。微波接收机的优势表现为具有较强线性特点，其噪音也比较低，选择性比较强，使得信噪比得到保证。对于天线下的信号来说，使用限幅器来对信号进行处理，对后级放大器进行高效的保护，防止信号出现被烧毁的情况；接着使用带通 滤波器完成信号预选工作，并使用低噪声放大器完成信号的一级放大，信号被放大以后，使下一级处理工作得以有序地开展。限幅器发挥的主要作用为对后级链路进行保护，使得大功率信号不会给其造成任何的损伤，带外信号被带通滤波器所隔离，低噪声放大器的主要作用为对噪声恶化产生的影响进行最大程度的补偿，借助带通滤波器使得互调失真得以高效的抑制，将失真响应削弱到最低，其优势体现为结构简便和成本投入比较低等[1]。常用的射频结构详见图1。

图1 常用的射频结构

■2.2 YIG 统调预选滤波器结构

对于射频前端结构来说，带通滤波器被YIG 统调预选滤波器所取代，在结构里，YIG 统调预选滤波器时，其优势体现为对外抑制性良好、带宽比较窄、体积非常小和频率范围比较广等，因此，高效的抑制了本振频率和对镜像频率。在YIG 统调预选滤波器工作时，调节温度使用的主要措施为温度补偿措施，使得滤波器的各种性能得到保证。在温度补偿处理的过程中，整个射频段内需要完成逐点对应工作，在数据测量时，使用的主要的方式为软件测量，实现对温度补偿的自动化管理，确保频率达到最佳状态。射频放大器的主要作用为对YIG 滤波器和混频器的损耗进行高效的补偿，使得天线电路和本振电路间的隔离得到积极的改善，显著提升射频前端的灵敏度。

■2.3 滤波器组宽带射频前端结构

在射频前端结构形式中，带通滤波器被开关滤波器所取代，使用带通滤波器的优势体现为两点，第一，亚倍频程，因此带宽比较小；第二，温度变化比较小，具有良好的稳定性，不需要使用额外的温度来开展补偿任务，将工作的复杂性降到最低，显著地提升了整机工作的可靠性和稳定性。使用分段滤波器方式以后，为后续的接收机变频处理好频谱的搬移工作，不会有过多的杂散信号出现。

3 接收机系统设计

本方案采用的主要形式为三次超外差结构，在对输入的镜频进行高效滤除的过程中，使用的主要方法为高本振方法。500～3000MHz 信号被天线接收以后，在开关的影响下，以分组的方式进入到预选滤波器组中，在低噪声放大器的作用下，信号被放大，接着信号会进入到放大模块中，实现再次的放大处理，放大器和衰减器是该放大模块的核心内容。6000～8500MHz 本振信号和射频信号在混频处理以后，使得5.5GHz 固定中频信号得以高效的获取；5.5GHz 固定中频信号经过一系列的处理以后，会与3885MHz 固定本振开展二次混频操作，使得615MHz 中频信号得以高效获取；615MHz 中频信号经过系列处理以后，与1545MHz 固定本振实现第三次混频，形成了70MHz 固定中频，输出时，借助放大滤波得以有效地输出。接收机方案的具体情况详见图2。

图2 接收机方案图示

■3.1 接收机射频关键模块电路设计

3.1.1 射频开关选择

射频链路中使用到射频开关的位置有四处，选择使用的主要开关形式为通道间隔离度比较高、插损比较小的开关，实现对射频开关的高效控制。射频开关的生产企业为ADI公司，产品型号为HMC245AQS16，其工作频段为DC-3.5GHz，具体的工作原理和参数信息详见图3。

图3

3.1.2 放大器

在使用的所有放大器中，第一级放大器为低噪声放大器，高效抑制系统噪音，后几级放大器的作用为对系统增益给予科学的调整，具体的指标包括增益平坦度、频率范围和噪声系数等。通过对成本和性能综合分析以后，放大器模块的系数信息详见表1。

表1 放大器模块系数

3.1.3 混频器

信号处理需要使用三次混频的方式，一混频输入500--3000MHz 射频信号后，与一本振扫频源达到混频的作用，使一中频信号5500MHz 得以快速的输出；二混频实现对3885MHz 二本振和5500MHz 的一中频信号混频，输出的二中频信号为1615MHz；三混频器对1545MHz的三本振信号与1615MHz 二中频信号进行混频。混频器的种类主要包括两种，分别为无源混频和有源混频，从成本和性能的角度分析，决定使用ADI 公司的混频器，混频器主要参数见表2。

表2 混频器参数的具体情况

3.1.4 频率源辅助模块

本振驱动混频器需要的功率值要保持在10dBm 以上，8dBm 是ADF4350 频率源最高输出功率，借助滤波器和功分器来对5dB 的损耗进行预留，放大了本振源的功率。8dBm 是LMX2592 的最大输出功率，无法将混频器驱动起来，要对本振源进行放大处理。频率源辅助电路的具体情况详见图4，放大器的具体参数信息详见表3。

表3 放大器参数具体情况

图4 振源放大滤波电路

3.1.5 衰减器

ADI 公司HMC542B 程控衰减器是衰减器的主要类型，工作频率为DC-4GHz，供电为+5V，编程时，使用SPI 协议完成相关的操作，1.7dB 是其典型插损，具有的典型衰减位数量为6 个，选择不同位来完成对所需衰减量的高效组合，具体情况详见表4 所示。

表4 HMC542B参数

3.1.6 中频滤波器

全面剖析成本与体积，中频滤波器的型号主要体现为5515BP15C725、SF2250E 和854670 等三种情况，一中频滤波器以JOHANSON 公司生产的5515BP15C725滤波器为核心，工作频段设置为5150--5875MHz。5515BP15C725 的特性详见图5 所示。

图5

RFM 公司的声表滤波器SF2250E 的主要类型为二中频滤波器，1605--1625MHz 通带内插损达到了3.4dB，其参数特性详见图6 所示。

图6 SF2250ES 参数特性

SAWTEK 公司的854670 滤波器是三中频率器的主要类型，70MHz 是滤波器的中心频率，14.5dB 是其典型的插损，20MHz 是3dB 带宽的主要频率，其特性曲线和主要参数值的具体情况详见图7。

图7

■3.2 控制电路

3.2.1 电压转换电路

主供电的供电电压为12V，射频开关、程控衰减器和放大器的供电电压为+5V，LMX2592、ADF4350、单片机的供电电压为+3.3V，做好电源管理芯片MP1593 的电平转换工作，从12V 转换到5V，使用ASM1117 完成5V～3.3V电平转换，电路的具体情况详见图8。

图8 电平转换电路

3.2.2 放大器电源控制电路

微波开关隔离度有限，借助单片机引脚来控制低噪放所需的5V 供电电源，反向隔离主要是借助低噪放的关断得以实现的。高电平输出时，单片机发挥了重要的作用，PMOS 管完成截止操作后，低噪放供电电压值为0V；PMOS 管完成导通操作以后，低噪放供电电压值为5V[3]。放大器电源控制电路的具体情况详见图9。

图9 放大器电源控制电路

3.2.3 参考时钟电路

本方案使用的本镇源数量为6 个，1545MHz 和3885MHz 频率源完成收发任务，需要的参考时钟数量为4 个，同一参考源为50MHz 有源晶振，对电压跟随器结构进行了合理化的使用，电路的具体情况详见图10。

图10 50MHz 参考时钟电路

3.2.4 PIC 主控电路

主控芯片为PIC33EP128GP506，高效的控制了低噪放供电模块、微波开关和振源，使用SPI 协议完成衰减器（HMC542B）、频率源（ADF4350、LMX2592）的通信任务，数据线与时钟线共用，利益各自片选线完成区分工作[4]。单片机的IO 口直接控制放大器的供电模块和链路选择开关，具体情况详见图11。

图11 PIC 控制电路控制框图

4 结语

微波接收机的核心组成成分为射频前端，接收机的性能受射频前端性能的直接影响，给信号处理造成了不同程度的制约。本文从接收机电路中关键器件的电路设计和选型等层面出发，针对滤波器、衰减器、混频器、放大器和微波开关开展了全面而透彻的分析，详细的介绍了单片机控制电路的具体设计情况，优化升级了射频祈祷暖的设计理念，推动微波接收机发展技术朝着更加先进的方向发展。