一種安控接收機射頻前端設計與仿真

潘麗娜，付 凡，姚先秀，趙廣超

（1.航空工業洪都，江西 南昌，330024；2.空裝駐南昌地區軍事代表室，江西 南昌，330024）

0 引言

測控系統是飛行器飛行試驗中重要的測量手段[1]，利用無線電遙測遙控技術實時獲取各系統的工作狀態和飛行器的飛行軌跡，完成飛行器的飛行控制和安全控制，并為飛行器性能評估和故障分析提供依據。安控接收機是測控系統的重要部件之一，其功能是將從天線接收到的微弱射頻信號經過濾波、放大、混頻等轉換成固定中頻信號，再通過基帶處理進行AD 轉換及數字解調，提取安控指令。其中，基帶處理主要采用數字信號處理，目前技術比較成熟，且集成度很高，而射頻前端的設計是安控接收機研發中非常關鍵的工作，其信號噪聲、增益和靈敏度直接影響后續解調處理，對整個接收機的性能起到至關重要的作用。

目前接收機主要類型為超外差接收機和零中頻接收機，零中頻接收機存在直流漂移等問題，超外差接收機一般多采用一次或兩次變頻，減少多次混頻帶來的混頻分量增多及設備體積偏大問題。本文借助Agilent 公司高頻仿真軟件ADS（Advanced Design System）對安控接收機射頻前端進行設計和仿真[2]，采用傳統超外差式設計方案，根據系統增益、噪聲及靈敏度等要求設計射頻前端的原理框圖，對各器件進行增益分配、參數設計及仿真計算，并級聯各模塊單元進行整體匹配和優化設計，保證整體性能達到最優。

1 總體設計

1.1 需求與技術方案

根據系統需求，安控接收機技術指標要求為：

1）工作頻段：1753.6MHz-1777.692MHz；

2）靈敏度：≤-130dBm；

3）帶外抑制比：不小于65dB；

4）噪聲系數：小于5dB。

本文所設計的射頻前端模塊原理框圖如圖1 所示：接收射頻頻率選擇1760MHz，輸出中頻信號頻率為70MHz，帶寬為0.5MHz，輸出中頻信號預期增益0dBm，該系統采用一次混頻方案，減少功耗和體積，利用三級放大將信號放大到0dBm，根據輸入信號大小加入可變增益放大器對系統增益進行控制，保證信號輸出不被壓縮，提高系統靈敏度及近距離抗毀性能。具體射頻前端模塊原理圖及增益分配如圖1 所示。

圖1 射頻前端系統原理框圖

1.2 元器件選型與設計

對于多級系統或多模塊級聯系統，系統的噪聲系數[3]為：

其中，NF1到NFN代表第一級至第N 級器件的噪聲系數，G1到GN代表第一級至第N 級器件的增益，由公式可得，系統的噪聲主要取決于前端器件的噪聲系數，后面級聯的部件對整個接收機噪聲系數造成的惡化較小，所以在選擇前級放大器時著重考慮噪聲系數的影響。

根據要求，前級放大器選擇采用WanTom 公司的WH1722AE，工作頻段1.7GHz-2.2GHz，該放大器具有30dB 的增益和0.55dB 的噪聲系數（見表1），可作為接收機的第一級放大器。

表1 WH1722AE 指標參數

混頻器采用集成VCO 功能的下變頻器RFFC2072A，變頻增益為-2dB，頻率覆蓋30MHz-2.7GHz，覆蓋系統工作頻段；放大器采用ERA-3SM+集成寬帶放大器，增益在所需頻段達到21dB；可變增益放大器采用AD8367，增益可調范圍為-3.7dB-45dB，器件的具體參數見表2-表4。

表2 RFFC2072A 指標參數

表3 ERA-3SM+集成寬帶放大器指標參數

表4 AD8367指標參數

利用ADS 中designguide 模塊設計原理框圖中的三款濾波器，根據原理圖中設計參數要求，濾波器BPF1 采用三階電路就可以實現，BPF2 和BPF3 設計為同款濾波器，二階電路可以滿足要求，具體參數設計結果分別如圖2 和圖3 所示，根據實際電阻電容參數對參數進行進一步優化設計。

圖2 射頻濾波器設計原理圖

圖3 中頻濾波器設計原理圖

2 仿真結果及性能分析

2.1 頻帶及信道選擇性分析

根據選型結果，將各元器件模型帶入到系統中進行仿真，對射頻前端的前級系統進行S 參數仿真，查看系統的頻帶選擇性，結果如圖4 所示，可以看到，在中心頻點1760MHz 處，增益為27dB，該值為低噪放的增益和濾波器的損耗差值，帶外70MHz 處的抑制為67.635dB，射頻信號通過前級放大和前級濾波后，帶內信號放大、帶外信號的抑制達到了系統指標要求。

圖4 射頻頻帶選擇性仿真

對系統的信道選擇性進行參數仿真，仿真結果如圖5 所示，在中心頻點1760MHz 處，增益為92dB，0.6MHz 處抑制達到30dB。查看圖5 仿真細節圖，可以看到，在0.5MHz 帶寬內的增益起伏為0.004dB，帶內信號平坦，不會使信號產生失真，較好地滿足了系統要求。

圖5 信道選擇性仿真結果分析

2.2 增益預算仿真結果分析

采用ADS 軟件中的增益預算仿真器BUDGET對系統進行增益預算仿真，由表5 結果可以看到系統各個元器件的參數，整個系統的輸出功率為-0.027dBm，接近預期輸出功率。由表6 系統參數仿真結果可得到系統的噪聲系數為4.208dB，系統的帶寬設置為0.5MHz，調制方式選擇DPSK，若誤碼率要求按照不小于10-6計算，則SNR（信噪比）為10.5dB，由靈敏度計算公式[4]得到該系統的結果為-132.3dBm，小于-130dBm，噪聲系數和靈敏度均滿足系統指標要求。

表5 預算增益參數仿真結果

表6 系統參數仿真結果

對射頻輸入功率進行參數掃描，輸入功率從-40dBm到-100dBm 變化，步進取10dB，仿真射頻前端的輸出功率，結果如圖6 所示，系統輸入最大或最小功率時，輸出均為0 dBm。對各器件的增益分配進行分析，結果如圖7 所示，當系統輸入接收機所能接收到的最大信號時，AGC 的增益最小，為0dB，當系統輸入最小輸入功率時，AGC 的增益最大，為40dB，AGC 器件的性能指標滿足系統應用需求。

圖6 功率掃描仿真結果

圖7 最大輸入功率和最小輸入功率時各模塊增益分配

2.3 鏡像抑制性能分析

將射頻輸入頻率換成鏡像頻率1620MHz，采用諧波平衡仿真，由圖8 和圖9 仿真結果可以看到，中頻輸出功率為-101.052dBm，對比原始信號中頻輸出為-0.027dBm，鏡像干擾抑制達到101.025dB,可以看到鏡像頻率信號得到了很好的抑制。

圖8 原始中頻輸出信號

圖9 鏡像干擾中頻輸出信號

3 結語

本文根據安控接收機的指標要求進行接收機射頻前端的設計及研究，根據技術指標對各模塊指標進行拆分，并對其中元器件進行選型設計。借助ADS 仿真軟件，對設計的原理圖進行仿真，分別對射頻前端的混頻特性、增益特性及選擇性進行了仿真，實際仿真結果表明接收機射頻前端性能良好，達到了指標要求，具有較好的實用性。