基于寬帶射頻接收機功能電路的虛假響應分析

漆家國

(中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036)

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基于寬帶射頻接收機功能電路的虛假響應分析

漆家國

(中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036)

摘要虛假響應是衡量寬帶射頻接收機性能的一項重要指標。從頻率變換角度對寬帶射頻接收機的架構進行分類，并以組成寬帶射頻接收機架構的功能電路為載體，把虛假響應類別歸納為頻率設計、非線性失真和電磁兼容3個方面。從寬帶射頻接收機的方案設計和模塊電路設計對這3類虛假響應的機理進行分析，給出了在工程實現上避免或減小射頻寬帶接收機虛假響應的具體措施。

關鍵詞虛假響應；寬帶射頻接收機；頻率設計；非線性失真；電磁兼容

0引言

射頻寬帶接收機廣泛應用于頻率監測與跟蹤、頻率資源使用情況的普查和電子戰的無線電偵察與對抗等領域，而虛假響應則是衡量射頻寬帶接收機性能的一項重要指標。射頻寬帶接收機的虛假響應定義為輸入端口沒有激勵信號時，輸出端口有響應輸出[1]，這是一種廣義的定義虛假響應。但要全面反映接收機的虛假響應，對虛假響應定義還應補充另一種狹義情況，即輸入端口有激勵信號時，輸出端口的輸出響應除自身激勵信號應有的輸出響應外，還出現其他多余的輸出響應，這種其他多余的輸出響應也應稱為虛假響應，這種狹義虛假響應的特點是激勵信號電平需要達到一定的強度時才出現，且隨激勵信號的消失而消失。無論是廣義的虛假響應還是狹義的虛假響應，都會干擾射頻接收機對信號的正常接收，造成接收系統的虛警和漏判。

參考文獻[1-3]從狹義的虛假響應角度，對接收頻帶內的多信號組合分量產生的虛假響應及其測試情況進行探討，參考文獻[4]對接收機廣義和狹義的虛假響應進行了部分的歸納總結。但文獻[1-3]與接收機的架構及功能電路結合不足；文獻[4]則側重于結論性的總結，與接收機的具體設計和工程實現的論述不足；而在電磁兼容方面，文獻[5-6]從電磁兼容方面進行部分歸納總結，但沒有結合電路進行分析。因此，從接收機的架構和電路方案設計等角度還沒有文獻進行論述。本文從射頻寬帶接收機的架構入手，以功能電路為基本單元，把射頻寬帶接收機的虛假響應表現形式及其類別與接收機的功能電路單元對應起來，采用定性和實驗數據相結合的分析方法，對接收機產生虛假響應的根源進行剖析，從設計和工程實現方面給出了解決措施。 [9-10]對提高接收機的線性進行了一些分析，但最簡潔的方式就是用泰勒級數展開的非線性的伏安特性，如(4)式所示[11]：

1通用架構和虛假響應類型

從功能上看，寬帶射頻接收機種類繁多，參考文獻[7-8]對接收機種類進行了歸納分類。但從頻率變換關系上看，就只分為直通放大模式和超外差變頻放大模式(以二次變頻為例)2類。直通放大模式射頻接收機架構如圖1所示，超外差變頻模式射頻接收機架構如圖2所示。

圖1　直通放大模式射頻接收機架構

圖2　超外差變頻模式射頻接收機架構

針對圖1和圖2兩種模式的射頻接收機的架構，對應于各功能電路單元產生的虛假響應的表現形式和類型如表1所示。

表1　虛假響應的表現形式和類型

2虛假響應分析與解決措施

2.1頻率設計性虛假響應分析解決措施

頻率設計性虛假是指接收機的整機頻率流程設計和本振頻率合成設計等設計環節引入的虛假響應。雖然這類虛假響應是基本上通過電路的非線性體現出來，但其根本原因還是由于設計產生的，因此，這類虛假響應歸結為頻率設計性虛假。頻率設計性虛假主要體現在以下4個方面。

2.1.1本振與非工作頻點的組合虛假響應

對于這類組合分量，一次頻率變換(多次變頻可分解為多個一次頻率變換)情況下考慮消除5階(含5階)以下的組合分量就可以滿足使用要求。在電路實現時由于濾波器的帶外抑制效應和平衡混頻器對偶次組合的抑制效應等因數，分析的重點就轉化為帶內的3階組合分量。

高低本振2種方案對應的中頻頻率和可能的帶內3階組合分量如表2所示。

表2　中頻頻率和可能的帶內3階組合分量

參考表2可能出現的帶內3階組合分量，根據濾波器能實現的矩形系數，計算出對中頻頻率選取范圍的約束條件和接收頻段的亞倍頻程分段濾波要求。

通過理論計算和工程驗證，減小或避免此類干擾應采取措施如下：

① 采取高本振、高中頻的方案是避免3階干擾的優選方案；

② 對接收頻段采取亞倍頻程分段濾波；

③ 中頻頻率的選擇應滿足表2組合分量計算結果的約束條件。

2.1.2本振頻率間的組合分量的虛假響應

對于采取二次及以上的頻率變換的射頻接收機來說，本振頻率間的組合分量可能落在接收頻率或中頻頻率帶寬范圍內，其干擾計算公式為:

±mfl1±nfl2=fr和±mfl1±nfl2=fi。

而本振信號的電平相對接收機的最小接收電平(靈敏度)來說，電平差甚至超過100 dB以上，其組合分量的電平的工程實測數據可達-90 dBm，對于高靈敏度(比如優于-120 dBm)接收機來說，虛假響應電平屬于中強電平。

針對該類虛假產生的機理，減小或避免此類虛假的措施如下：

① 優化頻率設計，減少落在接收機接收頻率范圍內的組合分量的數量；

② 對落在接收頻段范圍內的極少數的組合分量，其組合階數應控制在5階以上；

③ 禁止組合干擾分量落在接收機的中頻頻率范圍內。

2.1.3本振頻率合成過程中的虛假響應

本振電路在頻率合成時采用的時鐘整形電路、分頻電路和倍頻電路等非線性電路，會產生離散的頻率分量。由于這類電路的工作電平較強，產生的虛假響應信號電平也較強，若落在接收機的接收頻段范圍或中頻頻率帶寬范圍內，也使射頻接收機產生較強的虛假響應。其傳播路徑是供電線、射頻連接電纜和地回路，通過傳導和輻射方式進入接收電路。

要減小這類虛假響應，應滿足的設計原則和采取的措施如下：

① 優化頻率合成電路的實現方式，少用外置的固定分頻電路；

② 禁止虛假分量的頻率落在中頻頻率范圍內；

③對不同功能電路的供電、數字地和模擬地進行濾波隔離。

2.1.4鏡頻分量和中頻分量的虛假響應

鏡頻分量在設計時著重考慮與外部環境相關的一鏡頻分量(對于采取二次及以上的頻率變換寬帶接收機，二鏡頻及以上的分量通過頻率流程設計和中頻濾器的設計解決)。因此，本文討論鏡頻分量特指一鏡頻分量。

鏡頻分量、接收頻率分量與本振分量滿足下列關系：

對于高本振方案，

fl-fr=fm-fl=fi。

(1)

式中，fm為鏡頻頻率。

對于低本振方案，

fl-fr=fl-fm=fi。

(2)

由式(1)和式(2)可知，鏡頻對接收機產生虛假的實質是鏡頻分量與本振分量在接收電路中混頻器的作用下，產生的頻率分量與中頻頻率相同。

無論是采取高本振還是低本振頻率設計方案，鏡頻分量與接收頻率分量滿足下列關系：

(3)

由于對鏡像頻率的抑制主要是依賴于預選濾波器和鏡頻抑制濾波器，因此由式(3)和濾波器的矩形系數指標可知，要達到對鏡頻分量有效抑制的要求，就必須盡量提高中頻頻率數值。

中頻分量的虛假響應是指外界的頻率分量或接收機自身頻率合成時產生的頻率分量落在接收機的中頻頻率范圍內，通過傳導和輻射方式進入接收機的中頻電路，導致接收機產生虛假輸出。中頻分量產生的虛假響應最嚴重的后果是導致接收機失效，因此，必須從設計源頭上避免中頻干擾。

避免中頻干擾應注意以下幾點：

① 一中頻頻率的選擇盡量遠離接收頻率范圍；

② 中頻頻率的選擇應避開大功率的民用設備發射頻率(比如移動通信頻率等)；

③ 禁止本振頻率間的組合分量和本振電路的非線性頻率分量等落在中頻頻率范圍內。

2.2非線性失真虛假響應分析與解決措施

接收機的非線性失真是指輸入信號電平大于接收機的線性工作的最大電平值時，接收機工作在非線性狀態下產生的諧波分量和組合分量，這些分量如果落在接收機的各次中頻的通帶內，就會產生虛假輸出。

(4)

式中，an(n=0,1,2…∞)為展開系數。

輸入信號電壓可表示為：

u=A1cosω1t+A2cosω2t+…+Amcosωmt。

(5)

式中，若m=1，則u=A1cosω1t，表示單音信號輸入，這時的非線性就只存在諧波分量。若m≥2，則u=A1cosω1t+A2cosω2t+…+Aicosωit，這時的非線性不僅存在諧波分量，而且還存在2階、3階及以上的組合分量。

工程設計和實驗驗證表明，落在接收機帶內的諧波分量、2階組合分量和3階組合分量產生的虛假響應最為嚴重的。

非線性虛假響應是由接收機的線性動態決定，只能通過設計解決和調試優化。采取的措施如下：

① 針對諧波分量和2階組合分量，采取亞倍頻分段濾波和提高接收電路器件的線性度來減小虛假響應。

② 對3階組合分量，采取提高接收電路器件的線性度和優化接收鏈路增益分配的方法來減小虛假響應。

2.3電磁兼容性虛假響應分析解決措施

依據參考文獻[12-13]，解決電磁兼容性虛假的關鍵是要找準干擾源、干擾傳輸路徑和敏感電路這3要素。工程上采取電路拓撲結構分析和實驗相結合的方法解決該問題。針對圖1和圖2的寬帶射頻接收機的架構，結合電源電路、數字電路和時鐘電路等產生的頻率分量、雜散分量和噪聲對接收機產生的虛假響應的實驗數據，采取屏蔽、濾波[14]和接地[15]等技術手段，從而達到減小電磁兼容性虛假響應的目的。

2.3.1開關電源的噪聲和雜散分量的虛假響應

由于開關電源的頻率分量、噪聲分量和雜散分量對某頻段的寬帶超外差變頻模式射頻接收機產生虛假響應的實測數據如圖3所示。從這3個頻譜圖的虛假分量的數量、電平強弱和噪聲基底的變化趨勢可知，電源產生的虛假響應不僅影響接收機在存在干擾頻點的信號的正常接收，而且由于頻段內噪聲基底的升高而影響接收靈敏度。

圖3　寬帶射頻接收機的反演頻譜

通過對接收機電路的拓撲結構分析發現，開關電源的噪聲是以接收機內部的供電線路為路徑，通過傳導方式對噪聲敏感的本振電路形成干擾。噪聲通過調制的方式調制到本振頻譜上，以混頻的方式進入接收電路，導致接收機產生虛假響應。

為了解決電源的品質因數對接收機產生的虛假響應，在設計和工程實現時應采取的措施如下：

① 選用低紋波的電源變換器，對電源變換器的輸出采取差模、共模或二者相結合的濾波措施，通常要求濾波后的電源紋波<50 mV。

② 對電源紋波比較敏感的電路(比如環路濾波器、VCO等電路)應在靠近電路的供電端口再次采取濾波措施。

③ 信號線(尤其是射頻信號鏈路的傳輸線)應遠離電源線和采取隔離措施。

④ 數字電路和模擬電路的地回路、共用電源的供電回路應采取對直流直通和對交流高阻的濾波隔離措施。

2.3.2時鐘頻率及其雜散的虛假響應

接收機的數字電路和模擬電路的時鐘情況分為2種：一種情況是數字電路和模擬電路共用時鐘(本文簡稱“同源”)；另一種情況是數字電路和模擬電路的時鐘各自獨立(本文簡稱“異源”)。在“異源”情況下，對數字電路的時鐘采取措施前后的某頻段寬帶接收機的輸出頻譜如圖4所示。從圖4可知，時鐘電路對接收機的虛假響應主要體現在接收機的輸出頻譜雜散上，對噪聲基底的影響較小。

圖4　時鐘電路產生的虛假響應比對

為了減小和避免時鐘頻率及其雜散對接收機產生的虛假響應，針對“異源”和“同源”的差異，在設計和工程實現時應采取以下措施：

① 在“異源”情況下，所有數字電路使用同一基準時鐘；

② 在“異源”情況下，數字電路和模擬電路基準時鐘不能同頻；

③ 在“異源”情況下，在滿足控制邏輯信號波形條件下盡量減小時鐘頻率的諧波分量；

④ 在“同源”情況下，模擬電路和數字電路的時鐘接口要采取放大隔離和濾波隔離措施；

⑤ 無論是“同源”還是“異源”情況，應壓縮倍頻和分頻的時鐘頻率的種類；

⑥ 無論是“同源”還是“異源”情況，時鐘電路的布線采用地回路隔離。

3結束語

由于決定和影響射頻寬帶接收機的虛假響應因素貫穿于接收機的總體方案設計、功能電路的方案設計和工程實施等各個環節，本文結合接收機的功能電路對虛假響應產生的原因進行剖析，并給出了工程應用中的解決措施，希望對射頻接收機研制工作具有一定參考價值。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.22

收稿日期：2016-04-04

中圖分類號TN850

文獻標志碼A

文章編號1003-3106(2016)07-0084-05

作者簡介

漆家國男，(1972—)，碩士，高級工程師。主要研究方向：外彈道測量和電子偵察。

Analysis on Spurious Response Based on Functional Circuit of Wideband RF Receiver

QI Jia-guo

(SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology,ChengduSichuan610036，China)

AbstractThe spurious response is an important index to judge the performance of wideband RF receivers.By classifying wideband RF receiver framework from frequency conversion and using functional circuit forming the framework as the carrier,the spurious response is divided into such three aspects as frequency design,non-linear distortion and EMC.The mechanization of these three types of spurious response is analyzed in the design on wideband RF receivers and functional circuits,and the specific measures are given so as to avoid or reduce the spurious response of wideband RF receiver in the engineering.

Key wordsspurious response;RF wideband receiver;frequency design;non-linear distortion;EMC

引用格式：漆家國.基于寬帶射頻接收機功能電路的虛假響應分析[J].無線電工程,2016,46(7):84-88.