多通道甚高頻超外差式接收機的設計

錢夢園 楊國斌 張援農 姜春華

摘 ?要： 針對甚高頻天線陣信號的同時接收中存在信噪比差異過大以及信號質量不好等問題，設計一種通道差異小、噪聲低、靈敏度高、動態范圍大的多通道甚高頻超外差式接收機。該設計采用高靈敏度和大動態范圍的超外差式接收機結構，前級放大器采用低噪聲、高增益的放大器來降低整個接收機的噪聲系數，并選擇合理的預選濾波器和中頻濾波器抑制鏡像頻率的干擾，鏈路中還采用匹配網絡調節通道增益，使各個通道間的增益差異在合理的范圍內，中頻放大器選擇合理的1 dB壓縮點放大器以保證接收機的動態范圍足夠大。該設計在經過測試后，各項接收指標均滿足要求，可廣泛應用于雷達、通信領域。

關鍵詞： 超外差接收機; 甚高頻天線; 濾波器選擇; 前級放大器; 通道增益調節; 匹配網絡

中圖分類號： TN851.4?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

接收機是雷達、通信系統中的“傳感器”，是提取外界有用的信息并傳輸給系統的數據處理模塊。如果接收機設計的不好，系統就無法獲得有效、實時的外界信息，因此設計一個性能良好的接收機可以極大地提高系統的探測能力。在多通道甚高頻雷達系統中，由于其探測的范圍廣，天線陣多，一般的接收機會出現射頻（RF）輸入信號少、中頻（IF）輸出信號質量差、通道之間的信號差異大等問題而給后續的信號處理帶來困難。本文主要針對這些問題進行分析并設計出合理的多通道甚高頻接收機。

常見的接收機類型有超外差接收機、直接下變頻接收機、鏡像抑制接收機、數字零中頻接收機、直接數字式接收機。本文接收機的設計架構選擇為超外差接收機，它具有靈敏度高、動態范圍大、增益高、穩定性強、中頻頻率低等特點，可以非常好地滿足本文的設計需求。

超外差式接收機的框圖如圖1所示，其主要功能是對接收到的信號進行前置濾波、前級放大、混頻、中頻濾波、中頻放大，得到中頻信號并傳送至系統后面的信號處理模塊。前置濾波器的作用是濾除帶寬外的信號并抑制鏡像頻率信號，中頻濾波器決定超外差接收機的中頻以及接收帶寬，通過兩級濾波以及分頻段放大可以提高輸出信號的穩定性以及抑制雜散。

圖1 ?超外差接收機流程圖

1 ?接收機的重要指標

1.1 ?靈敏度

一般情況下，靈敏度高的接收機能夠識別更微弱的回波信號。靈敏度主要由接收機的噪聲系數決定，而且噪聲系數還會影響回波信號的信噪比，因此，設計接收機時要將噪聲系數控制得盡量小。靈敏度一般用能辨識的最小信號[Smin]表示：

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

式中：[Fs]為接收機的噪聲系數;[B]為中頻帶寬，單位為Hz;[KSNR]為接收機可分辨的最小信噪比，一般情況下取[KSNR]=0，單位為dB;[Km]為信號調制特性的函數，一般情況下取[Km]=0，單位為dB。

1.2 ?噪聲系數

噪聲系數（[Fs]）表征接收機內部噪聲的大小，定義為接收機輸入信噪比和輸出信噪比的比值：

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

式中：[F1]，[F2]，…，[Fn]為第1級、第2級，…，第[n]級的噪聲系數;[G1]，[G2]，…，[Gn-1]為第1級、第2級，…，第[n-1]級的增益。

1.3 ?動態范圍

動態范圍（DR）決定接收機所允許的功率輸入范圍，動態范圍越大表明接收機所能允許雷達探測的范圍越大。常用的有1 dB增益壓縮點動態范圍（[DR-1]）和無失真信號動態范圍（[DRsf]）。1 dB增益壓縮點動態范圍的定義為：當接收機的輸出功率達到產生1 dB壓縮時，輸入信號的功率與靈敏度之比，即[DR-1=Pi-1Smin]。無失真信號動態范圍是指接收機的三階交調等于靈敏度時，接收機輸入的最大信號功率與靈敏度之比，即[DRsf=PisfSmin]。正常情況下，兩者之間的關系為：

2 ?接收機設計

2.1 ?接收機設計指標要求

根據科研中的實際要求，多通道甚高頻接收機需要6個通道，工作頻率范圍為30～60 MHz。每個通道的具體指標要求為：

接收機頻率范圍為30～60 MHz;靈敏度≤-113 dBm;線性動態范圍≥70 dB;增益≥50 dB;通道間增益差異≤3 dB;接收帶寬為120 kHz。

2.2 ?接收機的設計

本文設計中是實現對已知頻段的信號進行接收和提取有用信息，因此可以采用與接收信號相匹配的本振得到固定中頻的輸出。為了抑制鏡像頻率干擾，根據接收機頻率范圍，選取中頻（IF）為71.4 MHz。預選濾波器選擇的工作頻段為24.4～61.5 MHz，IF濾波器選擇的工作頻率為71.4 MHz，帶寬為120 kHz。

根據式（1）和靈敏度、接收帶寬要求，可以得到接收機的噪聲系數應該不大于11.8 dB。為使IF輸出信號的質量足夠好，應盡量降低噪聲系數。根據式（2）可知，前級放大器應該選擇一個低噪聲、高增益的放大器。選擇的低噪聲放大器為Gali?74+。增益在30～60 MHz為25.1 dB，噪聲系數[F1=]2.7 dB。理論上，這樣可將噪聲系數控制在4 dB以下。

為了實現高的動態范圍和高的隔離度，混頻器選擇LAVI?2AH，它的最大本振信號輸入功率可達25 dBm，RF輸入信號功率最高為24 dBm，1 dBm壓縮點功率為23 dBm，具有較大的線性輸入動態范圍，它的三階交調點為34 dBm，工作頻率為2～1 100 MHz，而典型的本振（LO）輸入信號與射頻輸入信號的隔離度以及LO輸入信號與IF輸出信號的隔離度分別為48 dB，47 dB。

根據線性動態范圍以及增益的要求，IF放大器的1 dB壓縮點要足夠高且增益也要很高，考慮到實際情況，IF放大器用兩個放大器級聯的方式來實現。IF放大器1采用SGA4563芯片，其增益為28 dB，IF放大器2采用Gali?74+芯片，其增益為25.1 dB，1 dB壓縮點[Po?1=]19.2 dBm。

匹配網絡是π型電阻網絡，用于前后級的阻抗匹配以便于芯片能正常工作，還可以調節各個通道的增益，保證各個通道之間的增益一致。最后設計的超外差接收機的單個通道的框圖如圖2所示。其中，限幅器的作用是用于保護接收機，其最大耐壓值為25 kV，LO信號通過6分1功分器來提供給6個通道，保證各個通道的本振一致。

圖2 ?單個通道甚高頻超外差式接收機結構框圖

3 ?接收機測試

測試方法是通過信號源輸出信號給接收機的輸入端，將接收機的輸出信號接入到射頻信號分析儀中進行分析。信號源的型號為羅德與施瓦茨公司旗下的SMB?100 A，輸出頻率為9 kHz～3.2 GHz，輸出功率為-145～30 dBm。射頻信號分析儀型號為可方便攜帶的N9912A，生產廠家為安捷倫公司，最高測試頻率可達4 GHz。

3.1 ?靈敏度測試

測試靈敏度時，首先使信號源輸出為零，通過使用衰減器把接收機增益控制在0 dB附近，使頻譜分析儀上有一噪聲指示值，如圖3a）所示，噪聲指示值為-123.6 dBm。然后使信號源有一定的輸出，并微調頻率使其輸出為最大，如圖3b）所示，此時信號源的輸出功率為-122.4 dBm。再調節信號源輸出功率，使接收機輸出功率的指示值為前者的2倍，即多3 dB，此時接收機輸入端的功率即為雷達接收機的靈敏度，如圖3c）所示，此時信號源的輸出功率為-119.6 dBm，即靈敏度[Smin=]-119.6 dBm。

3.2 ?線性動態范圍測試

無失真動態范圍的測試方法為：從接收機靈敏度的值開始不斷增大信號源的輸出功率，使射頻信號分析儀的指示值達到無失真的臨界點，此時底部噪聲的功率保持一個不變的臨界點，即為-122 dBm左右。此時信號源輸出的功率即為無失真動態范圍的最大值，如圖4a）所示，即為-60.12 dBm。可以算得無失真動態范圍為[DRsf=]-60.12-[Smin=]59.48 dB。

1 dB壓縮點的動態范圍測試方法為：調節信號源的輸出功率，使射頻信號分析儀的指示值為0 dBm左右，然后增大信號源的輸出功率，觀測射頻信號分析儀的增長情況，當信號源輸出信號增大10 dB，而射頻信號分析儀上的輸出信號僅增大9 dB時，此時信號源的輸出功率即為接收機輸入信號的1 dB壓縮點，如圖4b）所示，1 dB壓縮點為-42.97 dBm。

圖3 ?靈敏度測試結果

圖4 ?無失真動態范圍測試結果

可以算得1 dB壓縮點的動態范圍為DR-1=-42.97-[Smin]=76.63 dB，和式（3）非常相符。接收機的動態范圍一般指的就是1 dB壓縮點的動態范圍。

3.3 ?增益測試

增益測試的方法為：接收機輸出不接任何衰減器，信號源輸入適當的功率，讀取射頻分析儀上的輸出功率指示值，指示值與輸入功率之間的差值即為接收機增益。

3.4 ?接收帶寬測試

接收帶寬測試方法為：選取適當的信號源輸出功率，獲得最大的中頻輸出功率如圖5b）所示。然后微調信號源的輸出頻率，當中頻輸出的信號功率下降3 dB時，對應的頻率為[f1]，[f2]，如圖5a），圖5c）所示。可以算得接收帶寬[B=f2-f1=]128 kHz。

圖5 ?接收帶寬測試結果

3.5 ?多通道甚高頻超外差接收機測試結果

依次對6個通道進行測試，測試結果如表1所示。可以看出各個通道的靈敏度、動態范圍、增益、接收帶寬均滿足設計要求，且通道之間的增益差異小于3 dB，也滿足設計的要求，可以實現對天線陣信號的等效接收。

4 ?結 ?語

本文針對多通道VHF雷達系統接收機的一些問題，提出其接收機設計的指標，并設計一種多通道甚高頻超外差接收機。經過測試，靈敏度、動態范圍、增益、通道差異以及接收帶寬的測試結果均滿足設計指標要求，保證了科研工作中得到的數據的可靠性與有效性，對于通信、雷達系統的多樣化具有較大的意義。

參考文獻

[1] 何彬，侯濤，谷廣宇.HF/VHF零中頻接收機前端電路分析設計[J].信息通信，2016（5）：107?110.

HE Bin， HOU Tao， GU Guangyu. Analysis and design of front?end circuit of HF/VHF zero?IF receiver [J]. Information & communications， 2016（5）： 107?110.

[2] 劉力琿.雙通道超外差式接收機的設計[J].電子技術與軟件工程，2018（4）：95?96.

LIU Lihui. Design of dual channel superheterodyne receiver [J]. Electronic technology and software engineering， 2018（4）： 95?96.

[3] 秦志華.民航甚高頻通信鄰道干擾分析及抗干擾應用[J].中國新通信，2018（1）：1?3.

QIN Zhihua. Adjacent channel interference analysis and anti?jamming application for civil high?frequency communication [J]. China new telecommunications， 2018（1）： 1?3.

[4] 田原.寬帶雙信道射頻前端的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2016.

TIAN Yuan. Design and implementation of broadband dual?channel RF front?end [D]. Chengdu： University of Electronic Science and Technology of China， 2016.

[5] 王馨儀.超外差接收機的基本原理與發展歷程[J].產業與科技論壇，2016，15（12）：67.

WANG Xinyi. The basic principle and development process of superheterodyne receiver [J]. Industrial & science tribune， 2016， 15（12）： 67.

[6] 王勇，孫彪，楊俊.接收機射頻前端噪聲特性分析[J].艦船電子對抗，2016，39（3）：83?85.

WANG Yong， SUN Biao， YANG Jun. Analysis of noise characteristics of RF front?end in receiver [J]. Shipboard electronic countermeasure， 2016， 39（3）： 83?85.

[7] 謝天明，孫鵬飛，馮寶山.VHF波段接收機的底噪問題分析及優化[J].數字通信世界，2017（7）：51?53.

XIE Tianming， SUN Pengfei， FENG Baoshan. Analysis of the noise problem of receiver at VHF band and optimization [J]. Digital communication world， 2017（7）： 51?53.

[8] 徐輝，李兵，李拴濤.鏡像頻率抑制度對射頻前端噪聲系數的影響分析[J].微波學報，2018（1）：70?74.

XU Hui， LI Bing， LI Shuantao. Influence of image frequency rejection on RF front?end noise figure [J]. Journal of microwaves， 2018（1）： 70?74.

[9] 楊建飛.軟件無線電接收機射頻前端設計與仿真[J].電子測試，2015（15）：12?13.

YANG Jianfei. Design and simulation of RF front end of the software radio receiver [J]. Electronic test， 2015（15）： 12?13.

[10] 周春良，周芝梅，王連成，等.LTE230數字中頻發送機的設計[J].電子設計工程，2018，26（6）：114?119.

ZHOU Chunliang， ZHOU Zhimei， WANG Liancheng， et al. Design of LTE230 digital intermediate frequency transmitter [J]. Electronic design engineering， 2018， 26（6）： 114?119.

[11] 朱祖德.多種雷達接收機的特點分析[J].現代雷達，2010，32（10）：84?86.

ZHU Zude. Analysis of different radar receivers [J]. Modern radar， 2010， 32（10）： 84?86.