一種小型化大動(dòng)態(tài)范圍的接收機(jī)信道設(shè)計(jì)與測(cè)試

卿 晨

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

0 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，無(wú)線通信系統(tǒng)中所使用的設(shè)備，尤其是接收機(jī)的要求越來(lái)越高，小型化、高集成度、高靈敏度和高線性度的接收機(jī)成為了目前研究的熱點(diǎn)，也是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)[1-3]。由于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中充斥著復(fù)雜的電磁環(huán)境和不同類型的干擾信號(hào)，在提高接收機(jī)靈敏度的同時(shí)，也要求接收機(jī)自身具備較強(qiáng)的抗干擾能力[4-6]。此外，單個(gè)接收機(jī)也需要針對(duì)多個(gè)有用的信號(hào)進(jìn)行接收和處理，而在接收機(jī)工作帶內(nèi)的多個(gè)有用信號(hào)也可能會(huì)產(chǎn)生互調(diào)信號(hào)，當(dāng)互調(diào)信號(hào)大于靈敏度時(shí)，就會(huì)對(duì)接收機(jī)產(chǎn)生干擾。接收機(jī)的三階交調(diào)指標(biāo)就是衡量接收機(jī)在接收處理工作帶內(nèi)多個(gè)信號(hào)時(shí)的抗干擾能力。因此，為保證接收機(jī)具有良好的線性度，特別是良好的三階交調(diào)抑制，基于各種方法設(shè)計(jì)的高線性度射頻前端、各類器件被廣泛研究并應(yīng)用[7-13]，采用的無(wú)線通信系統(tǒng)中也采取了各種措施來(lái)避免三階交調(diào)[14-16]。上述文獻(xiàn)分別對(duì)器件、功能電路、接收機(jī)和系統(tǒng)的三階交調(diào)進(jìn)行了分析，并采取各類方法提高三階交調(diào)指標(biāo)，不過在器件選型和影響三階交調(diào)的關(guān)鍵電路的調(diào)試上還有待改善，且小型化程度不高。本文通過理論推導(dǎo)、計(jì)算仿真、合理的增益分配和恰當(dāng)?shù)脑骷x型設(shè)計(jì)了一種大動(dòng)態(tài)范圍高靈敏度的接收機(jī)信道模塊，輸出三階截?cái)帱c(diǎn)超過 45 dBm，噪聲系數(shù)優(yōu)于 7 dB，采用MCM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了接收機(jī)硬件的小型化，對(duì)影響三階交調(diào)的關(guān)鍵電路進(jìn)行調(diào)試，最后借鑒并改進(jìn)了一種三階交調(diào)的測(cè)試方法，實(shí)測(cè)結(jié)果充分驗(yàn)證了所采取的設(shè)計(jì)方案。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

本接收機(jī)采用的是超外差的電路架構(gòu)，該類型接收機(jī)抗干擾性好，信號(hào)選擇性強(qiáng)，也能保證接收機(jī)較高的靈敏度、線性度和可靠性。

接收機(jī)信道射頻電路原理框圖如圖1所示，采用兩次變頻的超外差電路架構(gòu)。射頻輸入L頻段信號(hào)經(jīng)限幅、預(yù)選濾波、數(shù)控衰減器和第一級(jí)低噪聲放大后，分三段預(yù)選濾波，經(jīng)過低噪聲放大和低通濾波后，對(duì)信號(hào)增益進(jìn)行控制，然后進(jìn)行第一次混頻。第一次混頻后得到一中頻，經(jīng)過帶通濾波和放大后，進(jìn)行第二次混頻。第二次混頻后，得到二中頻，分四段經(jīng)過中頻濾波后，得到要求帶寬的中頻信號(hào)，最后進(jìn)行放大輸出。

圖1 接收信道原理框圖

2 指標(biāo)分析設(shè)計(jì)仿真

2.1 接收機(jī)靈敏度與動(dòng)態(tài)范圍

接收機(jī)靈敏度Prmin由式(1)計(jì)算得到[17]：

在本設(shè)計(jì)方案中，B為信號(hào)處理帶寬1 kHz，輸出信噪比SNR為10 dB，要求靈敏度 Prmin小于-125 dBm，計(jì)算得到噪聲系數(shù)NF小于9 dB。

接收機(jī)線性動(dòng)態(tài)范圍DRl由式(2)計(jì)算得到[17]：

在本設(shè)計(jì)方案中要求線性動(dòng)態(tài)范圍DRl大于85 dB(即輸入信道電平范圍為-125 dBm～-40 dBm)，得到輸入1 dB壓縮點(diǎn)IP-1dB大于-40 dBm。

接收機(jī)雙音(無(wú)雜散)動(dòng)態(tài)范圍DRf由式(3)計(jì)算得到[17]：

在本設(shè)計(jì)方案中，要求雙音(無(wú)雜散)動(dòng)態(tài)范圍DRf大于80 dB，計(jì)算得到輸入三階截?cái)帱c(diǎn)IIP3大于-5 dBm。

為使信號(hào)經(jīng)過接收機(jī)后達(dá)到AD的采樣電平(-60 dBm～+10 dBm)，增益 G設(shè)計(jì)值為50 dB。由式(4)計(jì)算得到本方案輸出1 dB壓縮點(diǎn)P-1dB大于10 dBm。由式(5)計(jì)算得到本方案輸出三階截?cái)帱c(diǎn)OIP3大于45 dBm。

2.2 接收機(jī)增益分配

接收機(jī)的增益分配見表1。接收機(jī)最小接收信號(hào)電平為-125 dBm，動(dòng)態(tài)范圍85 dB，增益為 50 dB，在最大-40 dBm輸入信號(hào)激勵(lì)下，鏈路中放大器、濾波器與器件自身P-1dB相比都有8 dB以上余量，整個(gè)鏈路處于線性放大狀態(tài)。

設(shè)計(jì)中采用放大器與濾波器交替排布的形式逐步對(duì)信號(hào)的進(jìn)行放大，在保證信道線性度的同時(shí)可有效防止鏈路自激。

表1 接收機(jī)增益分配表

2.3 接收機(jī)指標(biāo)仿真

接收機(jī)噪聲系數(shù) NF由式(6)計(jì)算得到[18]，輸出三階截?cái)帱c(diǎn) OIP3由式(7)計(jì)算得[18]。

式中，NF1、Gn和 OIP3.n分別為電路中各級(jí)器件的噪聲系數(shù)、增益和輸出三階截?cái)帱c(diǎn)。

通過Cascade軟件對(duì)信道最小信號(hào)輸入情況下的增益 G及噪聲系數(shù) NF、輸出 1 dB壓縮點(diǎn) P-1dB、輸出三階截?cái)帱c(diǎn)OIP3指標(biāo)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2所示，仿真結(jié)果與上面計(jì)算結(jié)果一致。本接收機(jī)設(shè)計(jì)仿真結(jié)果為：增益G=50 dB，噪聲系數(shù) NF=7.02 dB，P-1dB=18.59 dBm，OIP3=46.59 dBm。

3 調(diào)試與測(cè)試

3.1 版圖設(shè)計(jì)

為滿足小型化和高集成度的要求，本接收機(jī)的信道射頻部分采用了MCM技術(shù)和微組裝工藝實(shí)現(xiàn)方案，最終結(jié)構(gòu)尺寸為150×79×10 mm3。射頻部分、變頻部分、中頻部分采用分腔設(shè)計(jì)，在空間上避免不同頻率之間組合產(chǎn)生干擾信號(hào)，避免經(jīng)放大后的后級(jí)大信號(hào)反饋到前級(jí)發(fā)生自激，同時(shí)滿足不同信道輸入輸出之間隔離度的要求。

射頻信道與電源和控制板分布于模塊正反兩面，電源和控制信號(hào)通過低頻絕緣子提供給射頻信道。射頻信道選用材料為RT/duroid 5880的單層基片，電源與控制板選用材料為FR-4的6層PCB板。

3.2 指標(biāo)調(diào)試

信道的噪聲系數(shù)主要由低噪聲放大器LNA之前的器件損耗、LNA自身的增益和噪聲系數(shù)決定。可靠的裝配工藝使得LNA及之前的器件的損耗、增益和噪聲系數(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)值，以使整個(gè)信道的噪聲系數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)值。為使信道噪聲系數(shù)保留可調(diào)試余量，在LNA和一混之前設(shè)計(jì)有固定衰減，可減小此衰減進(jìn)而改善噪聲系數(shù)。

信道的輸出三階截?cái)帱c(diǎn)OIP3主要由末兩級(jí)放大器的OIP3決定。不過，對(duì)于實(shí)際的信道鏈路，信道的線性度指標(biāo)主要被混頻器限制，因?yàn)榉糯笃鞯木€性度指標(biāo)可以做高，而混頻器的線性度指標(biāo)較為局限，盡管混頻器在整個(gè)鏈路中對(duì)OIP3的影響不如末兩級(jí)放大器。圖3為本設(shè)計(jì)選用的放大器的OIP3隨頻率變化圖，圖4為本設(shè)計(jì)選用的混頻器OIP3在本振功率為19 dBm時(shí)隨頻率的變化圖。由圖可見，在此設(shè)計(jì)中，放大器的OIP3最佳值在49 dBm左右，混頻器的OIP3最佳值在25 dBm左右。

在調(diào)試過程中，首先保證本振功率達(dá)到混頻器的要求電平+19 dBm，否則本振功率較低將導(dǎo)致混頻器插損變大，OIP3變差。然后，適當(dāng)調(diào)整信道的固定衰減分配，在保證噪聲系數(shù)的情況下，盡量將固定衰減放在一混頻器或二混頻器前，優(yōu)先保證混頻器的線性度。最后，調(diào)整末兩級(jí)放大器的饋電電感L1，如圖5所示。器件手冊(cè)推薦工作頻率在20 MHz～1 000 MHz時(shí)，L1選用 470 nH，但實(shí)際調(diào)試OIP3時(shí)，L1選用680 nH效果最佳。

圖2 接收仿真結(jié)果

圖3 末級(jí)放大器的OIP3隨頻率變化圖

圖4 混頻器的輸入IP3隨頻率變化圖

圖5 末級(jí)放大器推薦電路圖

3.3 指標(biāo)測(cè)試

式中，a1和 a3分別為基波和三階交調(diào)分量的系數(shù)，V0為輸出電壓。

由于-90 dBm的三階產(chǎn)物電平太小，可能小于兩個(gè)信號(hào)源之間的三階交調(diào)產(chǎn)物，也可能接近頻譜儀的接收靈敏度，而導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，在選擇和設(shè)置測(cè)試儀器時(shí)，需要減小測(cè)試儀器對(duì)測(cè)試準(zhǔn)確度的影響。增加信號(hào)源間的隔離度，減小信號(hào)的輸入功率，可以提高三階交調(diào)測(cè)試的準(zhǔn)確度[19]。本方案的測(cè)試框圖如圖6所示，在功分器兩個(gè)輸入端各增加10 dB的固定衰減，不僅提高了信號(hào)源之間的隔離度，還減小了信道的輸入功率。通過設(shè)置頻譜儀機(jī)械衰減器衰減值，改變頻譜儀的靈敏度，可以準(zhǔn)確測(cè)試到小于-90 dBm的三階產(chǎn)物，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖6 OIP3測(cè)試框圖

圖7 三階產(chǎn)物測(cè)試結(jié)果

不同工作頻率，接收機(jī)的噪聲系數(shù)和三階截?cái)帱c(diǎn)測(cè)試結(jié)果如表2和表3所示。

4 結(jié)論

本接收機(jī)信道設(shè)計(jì)采用兩次變頻的超外差電路架構(gòu)，從接收機(jī)的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度入手，分析并設(shè)計(jì)了信道的增益、噪聲系數(shù)、三階截?cái)帱c(diǎn)指標(biāo)，選型合適的元器件對(duì)鏈路指標(biāo)進(jìn)行了仿真。采用MCM技術(shù)實(shí)現(xiàn)信道硬件設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確定位并調(diào)試了影響指標(biāo)的關(guān)鍵點(diǎn)，制定了改進(jìn)的測(cè)試方案，實(shí)測(cè)結(jié)果噪聲系數(shù)達(dá)到7 dB，輸出三階截?cái)帱c(diǎn)達(dá)到46.5 dBm。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，表明此設(shè)計(jì)方案是準(zhǔn)確可行的。與參考文獻(xiàn)涉及的接收機(jī)指標(biāo)相比，本文三階截?cái)帱c(diǎn)指標(biāo)提高超過5 dB，雙音動(dòng)態(tài)范圍提高超過20 dB，且采取 MCM技術(shù)和微組裝工藝，小型化程度更高，對(duì)小型化大動(dòng)態(tài)范圍接收機(jī)的設(shè)計(jì)有支撐和借鑒意義。

表2 接收機(jī)噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果

表3 接收機(jī)三階截?cái)帱c(diǎn)測(cè)試結(jié)果