梁　博

(中國電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安 710068)

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一種接收超寬帶射頻信號(hào)的方法研究與仿真分析

梁博

(中國電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安 710068)

摘要：在射頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)中，由于濾波器的帶寬和頻率源的限制，一般接收機(jī)的帶寬無法達(dá)到幾百兆的超帶寬范圍。設(shè)計(jì)一種超帶寬射頻信號(hào)的接收方法，通過五路功分和合理選擇射頻器件，可以在保證信號(hào)指標(biāo)要求的情況下，有效地對(duì)250 MHz帶寬的射頻信號(hào)進(jìn)行接收和下變頻。最后通過ADS軟件進(jìn)行射頻仿真分析，驗(yàn)證了本接收方法的主要指標(biāo)滿足要求。

關(guān)鍵詞：射頻接收機(jī)；超帶寬；仿真分析

0引言

以2.1～2.35 GHz的射頻信號(hào)范圍為例，設(shè)計(jì)了一種寬帶接收方式，將S頻段250 MHz的射頻信號(hào)分5路下變頻通道進(jìn)行接收，將2.1～2.35 GHz的射頻信號(hào)下變頻為240 MHz左右的中頻信號(hào)，傳輸給數(shù)字信號(hào)板進(jìn)行數(shù)字處理[1]。并通過ADS軟件進(jìn)行射頻指標(biāo)仿真，分析了采用本方法的例子的主要指標(biāo)的達(dá)標(biāo)情況，仿真結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

1接收通道主要指標(biāo)參數(shù)

本文設(shè)計(jì)的接收機(jī)，既要完成射頻信號(hào)的下變頻工作，又要保證接收過程中信號(hào)的主要參數(shù)指標(biāo)具有較為優(yōu)秀的性能。

主要的參數(shù)指標(biāo)有：輸入信號(hào)頻率：2 100～2 350 MHz；輸入信號(hào)電平值范圍：-90～-30 dBm；噪聲系數(shù)：≤6 dB；增益：50 dB±1.5 dB；鏡像抑制：>80 dBc；輸出信號(hào)頻率：215～265 MHz；輸入3階交調(diào)值：>-35 dBm;中頻輸出雜散抑制：>65 dBc；輸出信號(hào)電平值：≤10 dBm。

2超寬帶射頻信號(hào)接收方法介紹

圖1所示為接收通道的電路原理圖。由原理圖可知，接收方法是通過第1級(jí)濾波放大后，經(jīng)過3層二功分器，將1路射頻信號(hào)分為5個(gè)支路分別進(jìn)行下變頻和放大濾波，得到以240 MHz為中心頻率的5路中頻信號(hào)并輸出。

圖1　接收通道電路原理圖

由設(shè)計(jì)指標(biāo)可知，每一路接收通道要求增益為50 dB，噪聲系數(shù)要求為“噪聲系數(shù)≤6 dB”。噪聲系數(shù)是決定接收通道接收小信號(hào)能力的一個(gè)重要指標(biāo)，以下是根據(jù)級(jí)聯(lián)情況下，整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)公式[2]：

(1)

根據(jù)公式可知，要想獲取較低的噪聲系數(shù)，就必須使接收通道中的前端電路損耗盡量小，增益盡量大。

從接收通道的原理框圖中可以看到，由于每個(gè)接收通道只有一路射頻信號(hào)輸入，卻產(chǎn)生了5路獨(dú)立中頻信號(hào)輸出，因此在前端電路的設(shè)計(jì)中將加入功分器來進(jìn)行信號(hào)分路，這就會(huì)在前端電路中引入衰減，造成接收通道噪聲系數(shù)的惡化。因此如何進(jìn)行信號(hào)分路以及前端放大器的合理選擇，是本方法實(shí)現(xiàn)噪聲系數(shù)指標(biāo)要求的關(guān)鍵。綜合考慮諸多因素，放大器選擇了Hittite公司的HMC753LP4E放大器，增益為16.5，噪聲系數(shù)為1.5，輸出1 dB壓縮點(diǎn)為18 dB；功分器選擇中電13所的BW491SM4。經(jīng)計(jì)算，得知通道的噪聲系數(shù)約為4.33 dB，滿足指標(biāo)要求。

接收通道3階交調(diào)信號(hào)的大小，體現(xiàn)接收通道在多信號(hào)同時(shí)輸入時(shí)的抗干擾能力。結(jié)合模塊增益將指標(biāo)換算到輸出端，即“輸出3階交調(diào)值IIP3>15 dBm”。從圖2所示的接收通道框圖中可以看出，影響指標(biāo)的器件為鏈路上的放大器、衰減器和混頻器。各級(jí)器件指標(biāo)要求及器件指標(biāo)實(shí)際達(dá)到情況見表1。

從表1可以看出，為了達(dá)到“輸出3階交調(diào)值IIP3>15 dBm”的要求，必須滿足各級(jí)器件的輸出3階交調(diào)值加上此器件后級(jí)鏈路的增益大于15 dBm。接收通道IIP3值主要由末級(jí)放大器決定，對(duì)末級(jí)放大器的性能要求最高，可以通過選擇高線性的放大器來提升這個(gè)指標(biāo)。接收通道方案中確定末級(jí)放大器為Avago公司的PMA-5451+,其性能指標(biāo)如下:

增益:25.1 dB@240 MHz

OIP3:≥27.9 dBm@240 MHz

P1 dB:≥17 dBm@240 MHz

表1　輸出IIP3達(dá)到情況分析表

結(jié)合圖1所示接收通道方案框圖，接收通道末級(jí)放大器PMA-5451+后還有低通濾波器、限幅衰減和阻抗匹配電路，這些電路帶入的損耗有7 dB，所以接收通道OIP3為20.9 dB，并通過以下計(jì)算過程得到輸入IIP3值[3]:IIP3=OIP3-G=20.9-50=-29.1 dBm,滿足接收通道輸入帶內(nèi)3階截點(diǎn)>-35 dBm的要求。

3寬帶接收通道仿真分析

接收通道的仿真主要包括鏈路預(yù)算仿真、3階互調(diào)、高次諧波和鏡頻抑制仿真,分別針對(duì)通道的增益、噪聲系數(shù)、線性度等參數(shù)性能以及對(duì)雜散、諧波以及鏡頻干擾信號(hào)的抑制程度。下面對(duì)5路接收支路中的1路進(jìn)行射頻仿真分析[4]。

3.1鏈路預(yù)算分析

接收通道的鏈路預(yù)算仿真原理圖如圖 2所示，在 ADS 軟件中通過鏈路預(yù)算仿真通道預(yù)算控制器對(duì)通道的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析。圖2中B為帶寬；FC為中心頻率；NF為噪聲系數(shù),單位dB。已知輸入射頻信號(hào)的頻率為2 125 MHz，功率為-90～-30 dBm。由仿真結(jié)果可以得到輸入功率改變時(shí)，通道增益、噪聲系數(shù)、輸出3階交調(diào)截點(diǎn)和 1 dB壓縮點(diǎn)等參數(shù)的變化情況。

圖2　接收通道鏈路預(yù)算仿真原理圖

(1) 當(dāng)輸入信號(hào)幅度為-60 dBm時(shí)，由圖3可知，通道的總增益約為 51.3 dB，噪聲為4.24 dB，OIP3和P1 dB值分別為 17.9 dBm 和 6.96 dBm，輸出功率為1.28 dBm。

(2) 當(dāng)輸入信號(hào)幅度為-30 dBm時(shí)，由圖4 可知，通道的總增益約為 39.7 dB，噪聲為4.24 dB，OIP3和P1 dB值分別為 17.9 dBm 和 6.96 dBm，輸出信號(hào)值為9.73 dBm。

圖3　小信號(hào)時(shí)鏈路預(yù)算仿真結(jié)果

圖4　大信號(hào)時(shí)鏈路預(yù)算仿真結(jié)果

3.2三階交調(diào)分析

向接收通道輸入功率為-60 dBm，頻率分別為2 125 MHz 和 2 130 MHz 的雙音信號(hào)，在 ADS 中利用“HARMONIC BALANCE”諧波仿真器對(duì)通道的非線性特性進(jìn)行仿真分析，仿真原理如圖5所示。

圖5　3階交調(diào)仿真原理圖

由圖6中結(jié)果可以看出，在-60 dBm輸入雙音信號(hào)時(shí)，中頻輸出信號(hào)對(duì)其3階交調(diào)信號(hào)的抑制度約為53 dBc,代入公式[5]：

(2)

可得輸入3階交調(diào)系數(shù)IP3的值為-33.6 dBm，大于要求值-35 dBm,滿足指標(biāo)要求。

圖6　3階交調(diào)結(jié)果圖

3.3高次諧波和鏡頻抑制度分析

由混頻器和放大器的非線性特性產(chǎn)生的組合頻率,通過諧波分析的方法來觀察這些干擾對(duì)系統(tǒng)的影響程度，仿真原理如圖5所示。圖 7中 Mixer(1)

表示射頻信號(hào)(2 125 MHz)的諧波次數(shù)， Mixer (2)表示本振(2 365 MHz)的諧波次數(shù)。結(jié)果表明除了本設(shè)計(jì)需要的(1，-1)頻率組合外，其他高次組合分量都非常小。

圖7　高次諧波仿真結(jié)果

圖8左圖是2 125 MHz對(duì)應(yīng)的中頻輸出信號(hào)，右圖是2 605 MHz對(duì)應(yīng)的中頻輸出?？芍R頻信號(hào)2 605 MHz輸入接收通道系統(tǒng)時(shí)，其輸出非常小，達(dá)到指標(biāo)要求的鏡頻抑制度要求。

圖8　鏡頻抑制結(jié)果

4結(jié)束語

本文描述的這種超寬帶射頻信號(hào)的接收方法，經(jīng)過仿真分析對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證。分析結(jié)果證明，本方法各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了要求，能夠有效地對(duì)2 100～2 350 MHz的射頻信號(hào)進(jìn)行下變頻。本方法可以引用到其他頻段的射頻信號(hào)接收通道設(shè)計(jì)中，對(duì)超帶寬的射頻信號(hào)進(jìn)行下變頻。

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Study and Simulation Analysis of A method for Receiving Ultra-wideband Radio Frequency Signal

LIANG Bo

(The 20th Research Institute of CETC，Xi'an 710068，China)

Abstract:In the design of the radio frequency (RF) receiver,due to the limit of filter bandwidth and frequency resource,the bandwidth of usual receiver can not reach the ultra-wideband range of hundred MHz.This paper designs a new receiving method of ultra wideband RF signal,which uses five-channel power divider and selects reasonable RF devices to performs reception and frequency down-conversion to the RF signal of 250 MHz bandwidth effectively under the status satifying the signal index request,finally performs RF simulation analysis through ADS software,verifies that the main indexes of the method can meet the requirement.

Key words:radio frequency receiver;ultra-bandwidth;simulation analysis

收稿日期:2015-12-27

中圖分類號(hào)：TN971

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2016)02-0041-05

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.011