潘麗娜，付 凡，姚先秀，趙廣超

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

0 引言

測(cè)控系統(tǒng)是飛行器飛行試驗(yàn)中重要的測(cè)量手段[1]，利用無線電遙測(cè)遙控技術(shù)實(shí)時(shí)獲取各系統(tǒng)的工作狀態(tài)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(píng)估和故障分析提供依據(jù)。安控接收機(jī)是測(cè)控系統(tǒng)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(hào)經(jīng)過濾波、放大、混頻等轉(zhuǎn)換成固定中頻信號(hào)，再通過基帶處理進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換及數(shù)字解調(diào)，提取安控指令。其中，基帶處理主要采用數(shù)字信號(hào)處理，目前技術(shù)比較成熟，且集成度很高，而射頻前端的設(shè)計(jì)是安控接收機(jī)研發(fā)中非常關(guān)鍵的工作，其信號(hào)噪聲、增益和靈敏度直接影響后續(xù)解調(diào)處理，對(duì)整個(gè)接收機(jī)的性能起到至關(guān)重要的作用。

目前接收機(jī)主要類型為超外差接收機(jī)和零中頻接收機(jī)，零中頻接收機(jī)存在直流漂移等問題，超外差接收機(jī)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(shè)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(duì)安控接收機(jī)射頻前端進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真[2]，采用傳統(tǒng)超外差式設(shè)計(jì)方案，根據(jù)系統(tǒng)增益、噪聲及靈敏度等要求設(shè)計(jì)射頻前端的原理框圖，對(duì)各器件進(jìn)行增益分配、參數(shù)設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算，并級(jí)聯(lián)各模塊單元進(jìn)行整體匹配和優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證整體性能達(dá)到最優(yōu)。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 需求與技術(shù)方案

根據(jù)系統(tǒng)需求，安控接收機(jī)技術(shù)指標(biāo)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(shù)：小于5dB。

本文所設(shè)計(jì)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(hào)頻率為70MHz，帶寬為0.5MHz，輸出中頻信號(hào)預(yù)期增益0dBm，該系統(tǒng)采用一次混頻方案，減少功耗和體積，利用三級(jí)放大將信號(hào)放大到0dBm，根據(jù)輸入信號(hào)大小加入可變?cè)鲆娣糯笃鲗?duì)系統(tǒng)增益進(jìn)行控制，保證信號(hào)輸出不被壓縮，提高系統(tǒng)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(tǒng)原理框圖

1.2 元器件選型與設(shè)計(jì)

對(duì)于多級(jí)系統(tǒng)或多模塊級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)的噪聲系數(shù)[3]為：

其中，NF1到NFN代表第一級(jí)至第N 級(jí)器件的噪聲系數(shù)，G1到GN代表第一級(jí)至第N 級(jí)器件的增益，由公式可得，系統(tǒng)的噪聲主要取決于前端器件的噪聲系數(shù)，后面級(jí)聯(lián)的部件對(duì)整個(gè)接收機(jī)噪聲系數(shù)造成的惡化較小，所以在選擇前級(jí)放大器時(shí)著重考慮噪聲系數(shù)的影響。

根據(jù)要求，前級(jí)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(shù)（見表1），可作為接收機(jī)的第一級(jí)放大器。

表1 WH1722AE 指標(biāo)參數(shù)

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(tǒng)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(dá)到21dB；可變?cè)鲆娣糯笃鞑捎肁D8367，增益可調(diào)范圍為-3.7dB-45dB，器件的具體參數(shù)見表2-表4。

表2 RFFC2072A 指標(biāo)參數(shù)

表3 ERA-3SM+集成寬帶放大器指標(biāo)參數(shù)

表4 AD8367指標(biāo)參數(shù)

利用ADS 中designguide 模塊設(shè)計(jì)原理框圖中的三款濾波器，根據(jù)原理圖中設(shè)計(jì)參數(shù)要求，濾波器BPF1 采用三階電路就可以實(shí)現(xiàn)，BPF2 和BPF3 設(shè)計(jì)為同款濾波器，二階電路可以滿足要求，具體參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果分別如圖2 和圖3 所示，根據(jù)實(shí)際電阻電容參數(shù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖2 射頻濾波器設(shè)計(jì)原理圖

圖3 中頻濾波器設(shè)計(jì)原理圖

2 仿真結(jié)果及性能分析

2.1 頻帶及信道選擇性分析

根據(jù)選型結(jié)果，將各元器件模型帶入到系統(tǒng)中進(jìn)行仿真，對(duì)射頻前端的前級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行S 參數(shù)仿真，查看系統(tǒng)的頻帶選擇性，結(jié)果如圖4 所示，可以看到，在中心頻點(diǎn)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(hào)通過前級(jí)放大和前級(jí)濾波后，帶內(nèi)信號(hào)放大、帶外信號(hào)的抑制達(dá)到了系統(tǒng)指標(biāo)要求。

圖4 射頻頻帶選擇性仿真

對(duì)系統(tǒng)的信道選擇性進(jìn)行參數(shù)仿真，仿真結(jié)果如圖5 所示，在中心頻點(diǎn)1760MHz 處，增益為92dB，0.6MHz 處抑制達(dá)到30dB。查看圖5 仿真細(xì)節(jié)圖，可以看到，在0.5MHz 帶寬內(nèi)的增益起伏為0.004dB，帶內(nèi)信號(hào)平坦，不會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生失真，較好地滿足了系統(tǒng)要求。

圖5 信道選擇性仿真結(jié)果分析

2.2 增益預(yù)算仿真結(jié)果分析

采用ADS 軟件中的增益預(yù)算仿真器BUDGET對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行增益預(yù)算仿真，由表5 結(jié)果可以看到系統(tǒng)各個(gè)元器件的參數(shù)，整個(gè)系統(tǒng)的輸出功率為-0.027dBm，接近預(yù)期輸出功率。由表6 系統(tǒng)參數(shù)仿真結(jié)果可得到系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為4.208dB，系統(tǒng)的帶寬設(shè)置為0.5MHz，調(diào)制方式選擇DPSK，若誤碼率要求按照不小于10-6計(jì)算，則SNR（信噪比）為10.5dB，由靈敏度計(jì)算公式[4]得到該系統(tǒng)的結(jié)果為-132.3dBm，小于-130dBm，噪聲系數(shù)和靈敏度均滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

表5 預(yù)算增益參數(shù)仿真結(jié)果

表6 系統(tǒng)參數(shù)仿真結(jié)果

對(duì)射頻輸入功率進(jìn)行參數(shù)掃描，輸入功率從-40dBm到-100dBm 變化，步進(jìn)取10dB，仿真射頻前端的輸出功率，結(jié)果如圖6 所示，系統(tǒng)輸入最大或最小功率時(shí)，輸出均為0 dBm。對(duì)各器件的增益分配進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7 所示，當(dāng)系統(tǒng)輸入接收機(jī)所能接收到的最大信號(hào)時(shí)，AGC 的增益最小，為0dB，當(dāng)系統(tǒng)輸入最小輸入功率時(shí)，AGC 的增益最大，為40dB，AGC 器件的性能指標(biāo)滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求。

圖6 功率掃描仿真結(jié)果

圖7 最大輸入功率和最小輸入功率時(shí)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(jié)果可以看到，中頻輸出功率為-101.052dBm，對(duì)比原始信號(hào)中頻輸出為-0.027dBm，鏡像干擾抑制達(dá)到101.025dB,可以看到鏡像頻率信號(hào)得到了很好的抑制。

圖8 原始中頻輸出信號(hào)

圖9 鏡像干擾中頻輸出信號(hào)

3 結(jié)語

本文根據(jù)安控接收機(jī)的指標(biāo)要求進(jìn)行接收機(jī)射頻前端的設(shè)計(jì)及研究，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)對(duì)各模塊指標(biāo)進(jìn)行拆分，并對(duì)其中元器件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。借助ADS 仿真軟件，對(duì)設(shè)計(jì)的原理圖進(jìn)行仿真，分別對(duì)射頻前端的混頻特性、增益特性及選擇性進(jìn)行了仿真，實(shí)際仿真結(jié)果表明接收機(jī)射頻前端性能良好，達(dá)到了指標(biāo)要求，具有較好的實(shí)用性。