寬帶微波接收機的射頻前端設計方法

武路杰

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川成都，610036）

如今芯片技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)得到了普遍的使用，數(shù)字信號處理技術(shù)將傳統(tǒng)的基帶模擬處理技術(shù)進行了取代，軟件無線電技術(shù)的使用范圍也越來越廣。軟件無線電技術(shù)對DSP 和ADC 芯片技術(shù)進行了高效的利用，在器件工作頻率快速提升的過程中，其體積會隨之變小，使得其集成度越來越高，將系統(tǒng)功能損耗控制到最低。高度集成的寬帶射頻前端優(yōu)勢體現(xiàn)為接近實時信號處理、瞬時帶寬寬度比較寬、高頻率覆蓋廣和信息處理量比較大等，在現(xiàn)代接收機設計時，使用軟件無線電技術(shù)以后，能夠?qū)⑵湫阅馨l(fā)揮到最佳水平。在使用純數(shù)字的直接信號處理方式以后，數(shù)字處理遷建的工作頻率和采樣效率會受到不同程度的硬性，因此表現(xiàn)出了較強的局限性。所以，在設計寬帶射頻前端電路時，需要對其給予足夠的重視，使得高性能寬帶接收機設計工作取得最佳的效果。

1 射頻前端對微波接收機的重要影響

如今接收機的類型也比較多，性能也變得越來越先進，其功能表現(xiàn)出了較強的通用化和復雜性。如今在對接收機進行研究時，注重對其功能損耗、自身重量和體積的控制，使得其先進性表現(xiàn)得更為突出。綜合分析影響微波接收機的各項因素，要想使其性能得到顯著的提升，就要優(yōu)化設計接收機的射頻前端結(jié)構(gòu)，使得接收機的性能發(fā)生根本性的改變。射頻前端的功能主要體現(xiàn)為幅度均衡、增益控制、預選信號和抗燒毀等，通過優(yōu)化設計射頻前端的各項功能，使得微波接收機變得更加先進。

2 射頻前端的構(gòu)成形式

■2.1 常用的接收機射頻前端結(jié)構(gòu)

微波接收機在接收有用的信號時，高電平干擾信號會造成惡劣的影響，使得信噪比出現(xiàn)了不同程度的變化，給信號處理造成了嚴重的不良影響。微波接收機的優(yōu)勢表現(xiàn)為具有較強線性特點，其噪音也比較低，選擇性比較強，使得信噪比得到保證。對于天線下的信號來說，使用限幅器來對信號進行處理，對后級放大器進行高效的保護，防止信號出現(xiàn)被燒毀的情況；接著使用帶通 濾波器完成信號預選工作，并使用低噪聲放大器完成信號的一級放大，信號被放大以后，使下一級處理工作得以有序地開展。限幅器發(fā)揮的主要作用為對后級鏈路進行保護，使得大功率信號不會給其造成任何的損傷，帶外信號被帶通濾波器所隔離，低噪聲放大器的主要作用為對噪聲惡化產(chǎn)生的影響進行最大程度的補償，借助帶通濾波器使得互調(diào)失真得以高效的抑制，將失真響應削弱到最低，其優(yōu)勢體現(xiàn)為結(jié)構(gòu)簡便和成本投入比較低等[1]。常用的射頻結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 常用的射頻結(jié)構(gòu)

■2.2 YIG 統(tǒng)調(diào)預選濾波器結(jié)構(gòu)

對于射頻前端結(jié)構(gòu)來說，帶通濾波器被YIG 統(tǒng)調(diào)預選濾波器所取代，在結(jié)構(gòu)里，YIG 統(tǒng)調(diào)預選濾波器時，其優(yōu)勢體現(xiàn)為對外抑制性良好、帶寬比較窄、體積非常小和頻率范圍比較廣等，因此，高效的抑制了本振頻率和對鏡像頻率。在YIG 統(tǒng)調(diào)預選濾波器工作時，調(diào)節(jié)溫度使用的主要措施為溫度補償措施，使得濾波器的各種性能得到保證。在溫度補償處理的過程中，整個射頻段內(nèi)需要完成逐點對應工作，在數(shù)據(jù)測量時，使用的主要的方式為軟件測量，實現(xiàn)對溫度補償?shù)淖詣踊芾恚_保頻率達到最佳狀態(tài)。射頻放大器的主要作用為對YIG 濾波器和混頻器的損耗進行高效的補償，使得天線電路和本振電路間的隔離得到積極的改善，顯著提升射頻前端的靈敏度。

■2.3 濾波器組寬帶射頻前端結(jié)構(gòu)

在射頻前端結(jié)構(gòu)形式中，帶通濾波器被開關(guān)濾波器所取代，使用帶通濾波器的優(yōu)勢體現(xiàn)為兩點，第一，亞倍頻程，因此帶寬比較??；第二，溫度變化比較小，具有良好的穩(wěn)定性，不需要使用額外的溫度來開展補償任務，將工作的復雜性降到最低，顯著地提升了整機工作的可靠性和穩(wěn)定性。使用分段濾波器方式以后，為后續(xù)的接收機變頻處理好頻譜的搬移工作，不會有過多的雜散信號出現(xiàn)。

3 接收機系統(tǒng)設計

本方案采用的主要形式為三次超外差結(jié)構(gòu)，在對輸入的鏡頻進行高效濾除的過程中，使用的主要方法為高本振方法。500～3000MHz 信號被天線接收以后，在開關(guān)的影響下，以分組的方式進入到預選濾波器組中，在低噪聲放大器的作用下，信號被放大，接著信號會進入到放大模塊中，實現(xiàn)再次的放大處理，放大器和衰減器是該放大模塊的核心內(nèi)容。6000～8500MHz 本振信號和射頻信號在混頻處理以后，使得5.5GHz 固定中頻信號得以高效的獲?。?.5GHz 固定中頻信號經(jīng)過一系列的處理以后，會與3885MHz 固定本振開展二次混頻操作，使得615MHz 中頻信號得以高效獲取；615MHz 中頻信號經(jīng)過系列處理以后，與1545MHz 固定本振實現(xiàn)第三次混頻，形成了70MHz 固定中頻，輸出時，借助放大濾波得以有效地輸出。接收機方案的具體情況詳見圖2。

圖2 接收機方案圖示

■3.1 接收機射頻關(guān)鍵模塊電路設計

3.1.1 射頻開關(guān)選擇

射頻鏈路中使用到射頻開關(guān)的位置有四處，選擇使用的主要開關(guān)形式為通道間隔離度比較高、插損比較小的開關(guān)，實現(xiàn)對射頻開關(guān)的高效控制。射頻開關(guān)的生產(chǎn)企業(yè)為ADI公司，產(chǎn)品型號為HMC245AQS16，其工作頻段為DC-3.5GHz，具體的工作原理和參數(shù)信息詳見圖3。

圖3

3.1.2 放大器

在使用的所有放大器中，第一級放大器為低噪聲放大器，高效抑制系統(tǒng)噪音，后幾級放大器的作用為對系統(tǒng)增益給予科學的調(diào)整，具體的指標包括增益平坦度、頻率范圍和噪聲系數(shù)等。通過對成本和性能綜合分析以后，放大器模塊的系數(shù)信息詳見表1。

表1 放大器模塊系數(shù)

3.1.3 混頻器

信號處理需要使用三次混頻的方式，一混頻輸入500--3000MHz 射頻信號后，與一本振掃頻源達到混頻的作用，使一中頻信號5500MHz 得以快速的輸出；二混頻實現(xiàn)對3885MHz 二本振和5500MHz 的一中頻信號混頻，輸出的二中頻信號為1615MHz；三混頻器對1545MHz的三本振信號與1615MHz 二中頻信號進行混頻?；祛l器的種類主要包括兩種，分別為無源混頻和有源混頻，從成本和性能的角度分析，決定使用ADI 公司的混頻器，混頻器主要參數(shù)見表2。

表2 混頻器參數(shù)的具體情況

3.1.4 頻率源輔助模塊

本振驅(qū)動混頻器需要的功率值要保持在10dBm 以上，8dBm 是ADF4350 頻率源最高輸出功率，借助濾波器和功分器來對5dB 的損耗進行預留，放大了本振源的功率。8dBm 是LMX2592 的最大輸出功率，無法將混頻器驅(qū)動起來，要對本振源進行放大處理。頻率源輔助電路的具體情況詳見圖4，放大器的具體參數(shù)信息詳見表3。

表3 放大器參數(shù)具體情況

圖4 振源放大濾波電路

3.1.5 衰減器

ADI 公司HMC542B 程控衰減器是衰減器的主要類型，工作頻率為DC-4GHz，供電為+5V，編程時，使用SPI 協(xié)議完成相關(guān)的操作，1.7dB 是其典型插損，具有的典型衰減位數(shù)量為6 個，選擇不同位來完成對所需衰減量的高效組合，具體情況詳見表4 所示。

表4 HMC542B參數(shù)

3.1.6 中頻濾波器

全面剖析成本與體積，中頻濾波器的型號主要體現(xiàn)為5515BP15C725、SF2250E 和854670 等三種情況，一中頻濾波器以JOHANSON 公司生產(chǎn)的5515BP15C725濾波器為核心，工作頻段設置為5150--5875MHz。5515BP15C725 的特性詳見圖5 所示。

圖5

RFM 公司的聲表濾波器SF2250E 的主要類型為二中頻濾波器，1605--1625MHz 通帶內(nèi)插損達到了3.4dB，其參數(shù)特性詳見圖6 所示。

圖6 SF2250ES 參數(shù)特性

SAWTEK 公司的854670 濾波器是三中頻率器的主要類型，70MHz 是濾波器的中心頻率，14.5dB 是其典型的插損，20MHz 是3dB 帶寬的主要頻率，其特性曲線和主要參數(shù)值的具體情況詳見圖7。

圖7

■3.2 控制電路

3.2.1 電壓轉(zhuǎn)換電路

主供電的供電電壓為12V，射頻開關(guān)、程控衰減器和放大器的供電電壓為+5V，LMX2592、ADF4350、單片機的供電電壓為+3.3V，做好電源管理芯片MP1593 的電平轉(zhuǎn)換工作，從12V 轉(zhuǎn)換到5V，使用ASM1117 完成5V～3.3V電平轉(zhuǎn)換，電路的具體情況詳見圖8。

圖8 電平轉(zhuǎn)換電路

3.2.2 放大器電源控制電路

微波開關(guān)隔離度有限，借助單片機引腳來控制低噪放所需的5V 供電電源，反向隔離主要是借助低噪放的關(guān)斷得以實現(xiàn)的。高電平輸出時，單片機發(fā)揮了重要的作用，PMOS 管完成截止操作后，低噪放供電電壓值為0V；PMOS 管完成導通操作以后，低噪放供電電壓值為5V[3]。放大器電源控制電路的具體情況詳見圖9。

圖9 放大器電源控制電路

3.2.3 參考時鐘電路

本方案使用的本鎮(zhèn)源數(shù)量為6 個，1545MHz 和3885MHz 頻率源完成收發(fā)任務，需要的參考時鐘數(shù)量為4 個，同一參考源為50MHz 有源晶振，對電壓跟隨器結(jié)構(gòu)進行了合理化的使用，電路的具體情況詳見圖10。

圖10 50MHz 參考時鐘電路

3.2.4 PIC 主控電路

主控芯片為PIC33EP128GP506，高效的控制了低噪放供電模塊、微波開關(guān)和振源，使用SPI 協(xié)議完成衰減器（HMC542B）、頻率源（ADF4350、LMX2592）的通信任務，數(shù)據(jù)線與時鐘線共用，利益各自片選線完成區(qū)分工作[4]。單片機的IO 口直接控制放大器的供電模塊和鏈路選擇開關(guān)，具體情況詳見圖11。

圖11 PIC 控制電路控制框圖

4 結(jié)語

微波接收機的核心組成成分為射頻前端，接收機的性能受射頻前端性能的直接影響，給信號處理造成了不同程度的制約。本文從接收機電路中關(guān)鍵器件的電路設計和選型等層面出發(fā)，針對濾波器、衰減器、混頻器、放大器和微波開關(guān)開展了全面而透徹的分析，詳細的介紹了單片機控制電路的具體設計情況，優(yōu)化升級了射頻祈禱暖的設計理念，推動微波接收機發(fā)展技術(shù)朝著更加先進的方向發(fā)展。