宽带大动态射频前端的设计与实现

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摘要：介绍了1GHz～2GHz宽带大动态射频前端的设计和实现。大动态射频前端采用二次变频方案，实现了低噪声、大动态输出。通过合理的频率和电平配置，减小了混频非线性导致的组合干扰，降低了输出杂散、本振反向辐射。对中镜频信号有良好的抑制。可广泛的应用于侦察接收机和测向接收机。

关键词：噪声系数 三阶交调 本振抑制 中镜频抑制 组合干扰

中图分类号：TN851 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）03-0180-02

随着雷达和电子对抗技术的不断发展，侦察设备所面临的电磁环境越来越复杂，对接收机的线性度、动态范围、灵敏度、抗干扰能力、适应性等方面提出了越来越苛刻的要求。射频前端是接收机的关键部件，它的设计往往对整个系统的的非线性指标、灵敏度、噪声系数、增益等特征起着决定性的作用。因此为了获得最好的接收性能，应该对射频前端进行精心设计。

1 宽带大动态射频前端的性能指标

宽带大动态射频前端主要技术指标为：输入频率：1GHz～2GHz，输出频率：750MHz/200MHz，噪声系数：≤10dB，增益：≥45dB，动态范围：≥50dB，中频抑制：≥70dBc，镜频抑制：≥70dBc。

2 变频方案设计

宽带大动态射频前端采用超外差体制，变频是超外差体制的核心，其过程如以下公式所示。

式中，fR为接收信号的频率，fL为本振频率，fI为输出的中频频率。宽带大动态射频前端若采用一次变频方案，则本振信号将不可避免的落入中频带宽或射频带宽内无法滤除。因此采用二次变频方案，设计射频前端一本振频率为6.4GHz，二本振频率为4.15GHz/800MHz。

3 本振源的设计

3.1 一本振的设计

一本振输出单点6.4GHz，采用锁相单环实现。其框图如图1所示。

图中，PD为鉴相器，LPF为低通滤波器，VCO为压控振荡器，÷16为集成在鉴相器中的分频器。100MHz晶振相噪可达到-150dBc/Hz@10kHz，VCO频率范围为6.1GHz～6.72GHz。鉴相频率为100MHz，此时鉴相器的本底相噪指标为-147dBc/Hz@10kHz，输出频率的倍频次数为6400÷100=64，因晶振与鉴相器的相噪指标接近，故输出相噪指标为-147+20lg64≈-110dBc/Hz，由于环路及部件引入的噪声一般会影响最终相噪3dB左右，因此最后的相噪指标可以达到-107dBc/Hz@10kHz。

3.2 二本振的设计

为了能够使二本振得到更好的相噪指标，二本振采用混频方案，包括大步进环和混频环。其框图如图2所示。

大步进环鉴相频率为25MHz，此时鉴相器的本底相噪指标为-145dBc/Hz@10kHz，最高输出频率的倍频次数为4450÷25=178，则输出相噪指标为-145+20lg178≈-100dBc/Hz @10kHz。

混频环中鉴相频率1MHz，此时鉴相器的本底相噪指标为-153dBc/Hz@10kHz，混频后信号最高频率为100MHz，分频比为100÷1=100，相噪指标为-153+20lg100= -113dBc/Hz @10kHz，此指标远小于大步进环信号相噪指标，所以对最终输出信号的相噪影响可忽略。由环路及其部件（主要是加法器）引入的噪声影响一般变差5dB，最终输出相噪指标可达到-95dBc/Hz @10kHz。

4 主要技术指标分析

4.1 杂散抑制

宽带大动态射频前端采用上述变频方案，产生的带内杂散信号主要有三种：1、信号的多次谐波2、信号多次谐波和本振多次谐波的组合产物3、两次本振的组合产物。

信号的多次谐波，及其和本振多次谐波的组合产物电平的大小与混频器的非线性度及输入信号的电平大小有关，在设计时，要尽量选取线性度高、动态范围大的混频器，此外还要合理分配通路的增益，使信号在输入混频器前的幅度不能过高。宽带大动态射频前端最大输入信号电平为-40dBm，第一、第二混频器采用高本振电平的混频器，在进行增益分配时，信号输入混频器的电平约为-75dBm，产生的带内干扰信号电平可低于灵敏度。

抑制本振间的组合干扰，采取的主要措施是在一混后利用一中滤波器对一本振及其多次谐波进行抑制。在宽带大动态射频前端的一中放大器后设计一级腔体带通滤波器和两极微带低通滤波器对一本振的多次谐波进行抑制。

除了采取以上措施抑制带内杂散信号外，射频前端入口还设计了预选滤波器对带外无用信号进行抑制，防止其进入射频前端和本振混频产生干扰信号，同时可以防止过多的信号进入射频前端内，造成射频前端的饱和。

4.2 噪声系数

多级级联的二端口网络的噪声系数如下：

式中，Fi表示第级的噪声系数，Gr表示第级的增益，F表示级联后的总噪声系数。由公式可以看出，第一级的噪声系数和增益对系统噪声系数影响最大，因此需要在系统最前端设计低噪声放大器。此外由于无源网络噪声系数在数值上等于它的插入损耗，所以在设计射频前端的预选滤波器时要尽量减小其插入损耗。

4.3 动态范围

这里所指的动态范围为无虚假响应动态范围，是反映多信号输入时，由于接收系统的非线性产生的互调量电平低于某一要求的动态范围。通常用三阶截点值（IP3）表示。无虚假响应动态范围和输入三阶截点值的关系为IP3in=D/2+Pin，min，其中D表示无虚假相应动态范围，Pin，min表示输入灵敏度。

当两个信号同时落入射频前端带内时，其互调产物可发生在射频前端的每一级，输入信号每经过一级有增益的电路，信号电平都会增高，互调产物也会提高。因此越是靠后的电路应当线性度越好，动态越高。当两个信号或其中一个信号落入带外时，互调产物主要产生在射频前端宽带的各级，这时输入的大信号还未受到抑制，到了窄带各级，输入的大信号受到抑制，产生的互调产物电平很低，不会造成虚假相应。因而要求前端的各级电路动态范围大或尽量提高接收系统，特别是其第一级的选择性。

4.4 中、镜频抑制

抑制镜频信号主要依靠混频前的滤波器，抑制中频信号除了依靠滤波器外还可利用混频器的射频-中频隔离度。在宽带大动态射频前端设计中，由于进行了两次变频，因此其镜频信号有一、二镜频两种。二镜频折算到二混前的频率范围为3.1GHz～3.7GHz，一中滤波器选用5节～7节腔体滤波器对其进行抑制。

5 射频前端设计框图

经过以上指标分析后，设计宽带大动态射频前端框图如图3所示。

图中，LNA表示低噪声放大器，BPF表示带通滤波器，LPF表示低通滤波器，AMP表示放大器，MIXER表示混频器，DIGITAL ATTEN表示数控衰减器。

6 测试结果

设计、调试完成后指标测试结果：增益≥47dB，噪声系数≤9.2dB，动态范围≥52dB，矩形系数K≤1.75，本振反向辐射≤-80dBm，中频抑制≥85dBc，镜像抑制：≥84dBc，频率步进1MHz。满足各指标要求。

7 结语

本文通过实例介绍了射频前端变频方案的设计原则，对射频前端的关键指标进行了详细的介绍和分析。实测结果表明宽带大动态射频前端的性能良好，达到了系统设计要求，实现了其低噪声、大动态输出。

参考文献

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