寬帶微波接收機的射頻前端設計方法

武路杰

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川成都，610036）

如今芯片技術和現代數字信號處理技術得到了普遍的使用，數字信號處理技術將傳統的基帶模擬處理技術進行了取代，軟件無線電技術的使用范圍也越來越廣。軟件無線電技術對DSP 和ADC 芯片技術進行了高效的利用，在器件工作頻率快速提升的過程中，其體積會隨之變小，使得其集成度越來越高，將系統功能損耗控制到最低。高度集成的寬帶射頻前端優勢體現為接近實時信號處理、瞬時帶寬寬度比較寬、高頻率覆蓋廣和信息處理量比較大等，在現代接收機設計時，使用軟件無線電技術以后，能夠將其性能發揮到最佳水平。在使用純數字的直接信號處理方式以后，數字處理遷建的工作頻率和采樣效率會受到不同程度的硬性，因此表現出了較強的局限性。所以，在設計寬帶射頻前端電路時，需要對其給予足夠的重視，使得高性能寬帶接收機設計工作取得最佳的效果。

1 射頻前端對微波接收機的重要影響

如今接收機的類型也比較多，性能也變得越來越先進，其功能表現出了較強的通用化和復雜性。如今在對接收機進行研究時，注重對其功能損耗、自身重量和體積的控制，使得其先進性表現得更為突出。綜合分析影響微波接收機的各項因素，要想使其性能得到顯著的提升，就要優化設計接收機的射頻前端結構，使得接收機的性能發生根本性的改變。射頻前端的功能主要體現為幅度均衡、增益控制、預選信號和抗燒毀等，通過優化設計射頻前端的各項功能，使得微波接收機變得更加先進。

2 射頻前端的構成形式

■2.1 常用的接收機射頻前端結構

微波接收機在接收有用的信號時，高電平干擾信號會造成惡劣的影響，使得信噪比出現了不同程度的變化，給信號處理造成了嚴重的不良影響。微波接收機的優勢表現為具有較強線性特點，其噪音也比較低，選擇性比較強，使得信噪比得到保證。對于天線下的信號來說，使用限幅器來對信號進行處理，對后級放大器進行高效的保護，防止信號出現被燒毀的情況；接著使用帶通 濾波器完成信號預選工作，并使用低噪聲放大器完成信號的一級放大，信號被放大以后，使下一級處理工作得以有序地開展。限幅器發揮的主要作用為對后級鏈路進行保護，使得大功率信號不會給其造成任何的損傷，帶外信號被帶通濾波器所隔離，低噪聲放大器的主要作用為對噪聲惡化產生的影響進行最大程度的補償，借助帶通濾波器使得互調失真得以高效的抑制，將失真響應削弱到最低，其優勢體現為結構簡便和成本投入比較低等[1]。常用的射頻結構詳見圖1。

圖1 常用的射頻結構

■2.2 YIG 統調預選濾波器結構

對于射頻前端結構來說，帶通濾波器被YIG 統調預選濾波器所取代，在結構里，YIG 統調預選濾波器時，其優勢體現為對外抑制性良好、帶寬比較窄、體積非常小和頻率范圍比較廣等，因此，高效的抑制了本振頻率和對鏡像頻率。在YIG 統調預選濾波器工作時，調節溫度使用的主要措施為溫度補償措施，使得濾波器的各種性能得到保證。在溫度補償處理的過程中，整個射頻段內需要完成逐點對應工作，在數據測量時，使用的主要的方式為軟件測量，實現對溫度補償的自動化管理，確保頻率達到最佳狀態。射頻放大器的主要作用為對YIG 濾波器和混頻器的損耗進行高效的補償，使得天線電路和本振電路間的隔離得到積極的改善，顯著提升射頻前端的靈敏度。

■2.3 濾波器組寬帶射頻前端結構

在射頻前端結構形式中，帶通濾波器被開關濾波器所取代，使用帶通濾波器的優勢體現為兩點，第一，亞倍頻程，因此帶寬比較小；第二，溫度變化比較小，具有良好的穩定性，不需要使用額外的溫度來開展補償任務，將工作的復雜性降到最低，顯著地提升了整機工作的可靠性和穩定性。使用分段濾波器方式以后，為后續的接收機變頻處理好頻譜的搬移工作，不會有過多的雜散信號出現。

3 接收機系統設計

本方案采用的主要形式為三次超外差結構，在對輸入的鏡頻進行高效濾除的過程中，使用的主要方法為高本振方法。500～3000MHz 信號被天線接收以后，在開關的影響下，以分組的方式進入到預選濾波器組中，在低噪聲放大器的作用下，信號被放大，接著信號會進入到放大模塊中，實現再次的放大處理，放大器和衰減器是該放大模塊的核心內容。6000～8500MHz 本振信號和射頻信號在混頻處理以后，使得5.5GHz 固定中頻信號得以高效的獲取；5.5GHz 固定中頻信號經過一系列的處理以后，會與3885MHz 固定本振開展二次混頻操作，使得615MHz 中頻信號得以高效獲取；615MHz 中頻信號經過系列處理以后，與1545MHz 固定本振實現第三次混頻，形成了70MHz 固定中頻，輸出時，借助放大濾波得以有效地輸出。接收機方案的具體情況詳見圖2。

圖2 接收機方案圖示

■3.1 接收機射頻關鍵模塊電路設計

3.1.1 射頻開關選擇

射頻鏈路中使用到射頻開關的位置有四處，選擇使用的主要開關形式為通道間隔離度比較高、插損比較小的開關，實現對射頻開關的高效控制。射頻開關的生產企業為ADI公司，產品型號為HMC245AQS16，其工作頻段為DC-3.5GHz，具體的工作原理和參數信息詳見圖3。

圖3

3.1.2 放大器

在使用的所有放大器中，第一級放大器為低噪聲放大器，高效抑制系統噪音，后幾級放大器的作用為對系統增益給予科學的調整，具體的指標包括增益平坦度、頻率范圍和噪聲系數等。通過對成本和性能綜合分析以后，放大器模塊的系數信息詳見表1。

表1 放大器模塊系數

3.1.3 混頻器

信號處理需要使用三次混頻的方式，一混頻輸入500--3000MHz 射頻信號后，與一本振掃頻源達到混頻的作用，使一中頻信號5500MHz 得以快速的輸出；二混頻實現對3885MHz 二本振和5500MHz 的一中頻信號混頻，輸出的二中頻信號為1615MHz；三混頻器對1545MHz的三本振信號與1615MHz 二中頻信號進行混頻?；祛l器的種類主要包括兩種，分別為無源混頻和有源混頻，從成本和性能的角度分析，決定使用ADI 公司的混頻器，混頻器主要參數見表2。

表2 混頻器參數的具體情況

3.1.4 頻率源輔助模塊

本振驅動混頻器需要的功率值要保持在10dBm 以上，8dBm 是ADF4350 頻率源最高輸出功率，借助濾波器和功分器來對5dB 的損耗進行預留，放大了本振源的功率。8dBm 是LMX2592 的最大輸出功率，無法將混頻器驅動起來，要對本振源進行放大處理。頻率源輔助電路的具體情況詳見圖4，放大器的具體參數信息詳見表3。

表3 放大器參數具體情況

圖4 振源放大濾波電路

3.1.5 衰減器

ADI 公司HMC542B 程控衰減器是衰減器的主要類型，工作頻率為DC-4GHz，供電為+5V，編程時，使用SPI 協議完成相關的操作，1.7dB 是其典型插損，具有的典型衰減位數量為6 個，選擇不同位來完成對所需衰減量的高效組合，具體情況詳見表4 所示。

表4 HMC542B參數

3.1.6 中頻濾波器

全面剖析成本與體積，中頻濾波器的型號主要體現為5515BP15C725、SF2250E 和854670 等三種情況，一中頻濾波器以JOHANSON 公司生產的5515BP15C725濾波器為核心，工作頻段設置為5150--5875MHz。5515BP15C725 的特性詳見圖5 所示。

圖5

RFM 公司的聲表濾波器SF2250E 的主要類型為二中頻濾波器，1605--1625MHz 通帶內插損達到了3.4dB，其參數特性詳見圖6 所示。

圖6 SF2250ES 參數特性

SAWTEK 公司的854670 濾波器是三中頻率器的主要類型，70MHz 是濾波器的中心頻率，14.5dB 是其典型的插損，20MHz 是3dB 帶寬的主要頻率，其特性曲線和主要參數值的具體情況詳見圖7。

圖7

■3.2 控制電路

3.2.1 電壓轉換電路

主供電的供電電壓為12V，射頻開關、程控衰減器和放大器的供電電壓為+5V，LMX2592、ADF4350、單片機的供電電壓為+3.3V，做好電源管理芯片MP1593 的電平轉換工作，從12V 轉換到5V，使用ASM1117 完成5V～3.3V電平轉換，電路的具體情況詳見圖8。

圖8 電平轉換電路

3.2.2 放大器電源控制電路

微波開關隔離度有限，借助單片機引腳來控制低噪放所需的5V 供電電源，反向隔離主要是借助低噪放的關斷得以實現的。高電平輸出時，單片機發揮了重要的作用，PMOS 管完成截止操作后，低噪放供電電壓值為0V；PMOS 管完成導通操作以后，低噪放供電電壓值為5V[3]。放大器電源控制電路的具體情況詳見圖9。

圖9 放大器電源控制電路

3.2.3 參考時鐘電路

本方案使用的本鎮源數量為6 個，1545MHz 和3885MHz 頻率源完成收發任務，需要的參考時鐘數量為4 個，同一參考源為50MHz 有源晶振，對電壓跟隨器結構進行了合理化的使用，電路的具體情況詳見圖10。

圖10 50MHz 參考時鐘電路

3.2.4 PIC 主控電路

主控芯片為PIC33EP128GP506，高效的控制了低噪放供電模塊、微波開關和振源，使用SPI 協議完成衰減器（HMC542B）、頻率源（ADF4350、LMX2592）的通信任務，數據線與時鐘線共用，利益各自片選線完成區分工作[4]。單片機的IO 口直接控制放大器的供電模塊和鏈路選擇開關，具體情況詳見圖11。

圖11 PIC 控制電路控制框圖

4 結語

微波接收機的核心組成成分為射頻前端，接收機的性能受射頻前端性能的直接影響，給信號處理造成了不同程度的制約。本文從接收機電路中關鍵器件的電路設計和選型等層面出發，針對濾波器、衰減器、混頻器、放大器和微波開關開展了全面而透徹的分析，詳細的介紹了單片機控制電路的具體設計情況，優化升級了射頻祈禱暖的設計理念，推動微波接收機發展技術朝著更加先進的方向發展。