摘 要超外差式接收機由于具有高增益、大動態(tài)范圍、高靈敏度等特點收機在雷達、通信領域運用廣泛。本文設計了一款用于射頻仿真幅相校準系統(tǒng)的雙通道超外差式接收機，該超外差式接收機的結構一般由單刀5擲開關、變頻器、功率放大器、濾波器等組成，接收機工作頻段為6～18GHz，靈敏度優(yōu)于-120dBm，動態(tài)范圍優(yōu)于75dB，滿足系統(tǒng)的設計指標。

【關鍵詞】超外差式接收機 接收機 靈敏度 接收機線性度 幅相 校準系統(tǒng)

1 超外差式接收機

接收機作為通信、雷達系統(tǒng)的重要組成部分對系統(tǒng)的性能有著直接的影響，因此設計一個高性能的接收機對于電子系統(tǒng)是至關重要的。接收機的作用為接收空間輻射的電磁波并對接收的電磁波進行濾波、放大，濾除掉，干擾信號和雜波，得到回波信號進行處理。整個過程需要對電磁信號的頻譜進行分割和搬移，并且不能產(chǎn)生額外的干擾。

典型的接收機有晶體視頻接收機、超外差式接收機、直接下變頻式接收機、鏡頻抑制接收機等類型。超外差式接收機由于具有靈敏度高、采樣難度低、抗干擾能力強等特點，成為了當前最主流的設計構架。本文也采用超外差式接收機的結構進行研究設計。

超外差式接收機的框圖如圖1所示。超外差式接收機的主要功能為對接收到的信號進行功率放大、混頻，輸出一個中頻信號，給后面的信號處理器進行信號處理。超外差接收機的設計關鍵為信號放大后的信噪比控制和經(jīng)過混頻后的雜散信號的抑制。

2 雙通道超外差式接收機的設計

2.1 雙通道超外差式接收機指標要求

本文所依照的項目要求雙通道接收機工作頻率范圍為6～18GHz，共有兩個通道，每個通道接收機能夠輸入5個信號并可以對5個信號進行選擇。每個通道具體的指標要求為：

（1）接收機頻段：6～18GHz；

（2）靈敏度：≤-120dBm；

（3）線性動態(tài)范圍：≥-75dB；

（4）中放輸出頻率：10.7MHz±2.5KHz；

（5）中放輸出電平：≥-5dBm。

2.2 雙通道超外差式接收機的設計

由于該接收機的使用場景為已知特定信號的接收和分析，因此可以采用變本振的方式實現(xiàn)10.7MHz的固定中頻輸出。同時，系統(tǒng)還要求該接收機能夠?qū)崿F(xiàn)每個通道5個信號的選擇接收，因此需要選用單刀5擲的射頻開關對信號進行選擇。

根據(jù)接收機的設計要求，給出了雙通道超外差式接收機的結構框圖如圖2，該雙通道式超外差接收機采用兩個單刀5擲開光（SP5T）實現(xiàn)了5路信號的選擇輸出，通過功分器將本振信號公分后分別與兩個混頻器混頻輸出，混頻后的信號為固定中頻。

根據(jù)提出的系列指標，對接收機鏈路進行分析與計算。為下一步電路的設計提供依據(jù)。主要對噪聲系數(shù)、增益、動態(tài)范圍進行計算。

接收機的靈敏度指的是接收機在給定的噪聲功率的情況下接收、檢測信號的能力。接收機的靈敏度與接收機的噪聲系數(shù)、中頻帶寬都有關系。越小的噪聲系數(shù)，越窄的中頻帶寬可以提高接收機的靈敏度。根據(jù)靈敏度的指標可以確定系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。

靈敏度與噪聲系數(shù)的對數(shù)形式關系式為：

（1）

式中，S（min）代表接收機的靈敏度為-120dBm。K指波爾茲曼常數(shù)-198.6dBm。T指常溫下的噪聲溫度24.669dBm。B：中頻帶寬（或檢測器前濾波器帶寬）取5KHz，36.99dB。F：接收機系統(tǒng)噪聲系數(shù)（待求量）。M：接收機檢測器所需的最小信噪比，這里取5dB。代入式（1）中計算出結果為：

（2）

根據(jù)計算出的值，可以確定要達到-120dBm靈敏度的指標需要系統(tǒng)噪聲系數(shù)在11.941以下。在選擇器件時需要選擇低噪聲的器件，且合理分配各個器件的噪聲使整個系統(tǒng)噪聲系數(shù)在11dB以下。

由接收機的最大輸出電平（-5dBm）、動態(tài)范圍（75dB）、最小接收電平（靈敏度-120dBm）可以計算出接收機整體的增益為：

（3）

由式（3）可以算出整個鏈路的整體增益為40dB，即中頻放大器必須要達到55dB的增益，才能使鏈路整體增益達到40dB以上，因此可以采用兩級放大再加可調(diào)衰減器的形式對中頻信號進行放大。同時，選用的SP5T開關以及混頻器要保證插損足夠小，使在鏈路整個頻段內(nèi)的增益達到指標要求。

動態(tài)范圍指的是接收機系統(tǒng)處理不同功率的信號的能力，不同的系統(tǒng)對于動態(tài)范圍有不同的方法來描述。對于校準接收機來說，由于校準接收機結構簡單、工作環(huán)境沒有強干擾，線性動態(tài)范圍成為了我們關注的重點。

接收機線性動態(tài)范圍的定義為最小可接收功率與整個鏈路的1dB壓縮點之間的差：

（4）

接收機的最小可接收功率為-120dBm，線性動態(tài)范圍指標為75dB，即接收機的整體1dB壓縮點要高于-45dBm，在鏈路設計過程中需要選擇合適的混頻器和中放。

2.3 雙通道超外差式接收機的測試

2.3.1 靈敏度測試

接收機的靈敏度指的是接收機接收信號的能力的強弱，一般來說，指的是接收機能夠分辨到的最小的信號。對于校準裝置來說，為了保證測量的精度，輸入到矢量網(wǎng)絡分析儀中的信號信噪比需要大于10dB，校準接收機的靈敏度指標為-120dBm，因此測量當信號源輸入信號為-120dBm時輸出信號的信噪比，測量結果如圖3所示。

從測試結果可以看出，當輸入信號的功率為-120dBm時，兩個通路的信噪比在10dB以上，滿足矢網(wǎng)的使用精度要求，說明接收機的靈敏度可以達到-120dBm。

2.3.2 線性度測試

當輸入功率增大到一定的程度時，由于信號太大增益會降低1dB，此時的輸入功率減去接收機的靈敏度就是接收機的線性動態(tài)范圍。要求接收機的線性動態(tài)范圍達到75dB，即當輸入功率為-45dBm時，輸出信號的增益壓縮需要在1dB以內(nèi)。測量時，信號源的輸出功率為-45dBm，測量這個時候的增益再與-120dBm時的增益相減，測量結果如圖4所示。

從測試結果可以看出，6～18GHz頻段內(nèi)增益壓縮比小于0.3dB，滿足增益壓縮比小于1dB的條件，因此，接收機的線性動態(tài)范圍達到了75dB以上。

3 總結

本文設計了一款用于射頻仿真校準系統(tǒng)的雙通道超外差式接收機，用于射頻仿真校準系統(tǒng)，滿足了系統(tǒng)靈敏度和動態(tài)范圍指標，對于提高射頻仿真校準系統(tǒng)性能以及射頻仿真目標模擬的精度具有較大的工程意義。

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作者介紹

劉力琿（1993-），男，四川省瀘州市人。南京航空航天大學碩士。研究方向射頻系統(tǒng)設計與仿真。

作者單位

南京航空航天大學 江蘇省南京市 210000