2～18 GHz超宽带接收分系统的设计

摘 要： 描述一种超宽带四链路接收分系统，该系统主要处理天线接收到的2～18 GHz的射频信号，分别通过对信号进行限幅、放大、混频、滤波、检测、测量等过程形成中频信号，并送至信号处理分系统。首先介绍该系统的设计方案，并对系统的工作原理进行详细说明，随后列出所选器件的重要参数以便讨论，通过使用电磁仿真软件ADS计算分析系统内电路的增益、噪声系数和线性度等重要参数。其中系统噪声系数为3.5 dB，灵敏度为-73.5 dBm，动态范围为50 dB，输出信号为1.5 GHz，且功率稳定在0 dBm左右。

关键词： 超宽带； 四链路； 接收分系统； ADS

中图分类号： TN957⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2016）14⁃0116⁃04

Design of 2～18 GHz ultra⁃wideband receiving subsystem

ZHOU Zelun1， LI Yi2

（1. Xi’an Electronic Engineering Research Institute， Xi’an 710100， China； 2. Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710129， China）

Abstract： A 4⁃link ultra⁃wideband receiving subsystem is described， which mainly deals with the 2～18 GHz RF signals received by the antenna. The processes of amplitude limiting， amplifying， mixing， filtering， detecting and measuring are performed for the signal respectively to form the intermediate frequency signal， and then the signal is sent to the signal processing subsystem. In this paper， the design scheme of the system is introduced， the system working principle is described in detail， and the important parameters of the selected component are listed for discussion. The circuit gain， noise figure， linearity and other significant parameters of the system are computed and analyzed with the electromagnetic simulation software ADS. The design results show that the system noise figure is 3.5 dB， sensitivity is -73.5 dBm， dynamic range is 50 dB， output signal frequency is 1.5 GHz， and the power can be stabilized at about 0 dBm.

Keywords： ultra⁃wideband； 4⁃link； receiving subsystem； ADS

近年来无线通信技术的迅猛发展带动了电子产品的高频化、宽带化以及小型化等发展趋势，使得民用和军用产品对接收系统的处理能力和性能的要求越来越高。因此，对接收系统进行深入的研究和分析变得很有必要，设计实现一种新型超宽带接收分系统成为目前的重要课题。该系统具有对2～18 GHz信号进行搜索、火控雷达信号进行截获、检测、自检等功能；可处理常规脉冲、线性调频脉冲、非线性调频脉冲、相位编码脉冲以及连续波等。

1 设 计

1.1 组 成

接收分系统包含前端模块和中频模块两部分，实现对接收天线输出的射频信号限幅、放大、混频、滤波，为信号处理分系统输入中频信号。系统采用4路相同的接收链路，每一个接收链路单独制作成一个模组[1⁃2]。主控制端（包含CPU）位于主板。

1.2 工作原理

该系统架构如图1所示，包含4个部分，分别是输入选择部分、混频部分、自动增益控制部分、本振产生部分。本系统对2～18 GHz的信号进行接收和处理，要求系统能处理约16 GHz带宽的信号，每路信号带宽500 MHz。

系统前端添加限幅器（Limiter）以及低噪声放大器（LNA），并通过开关滤波阵列把信号输出至中频处理模块，在中频处理模块，由1⁃4功率分配器提供两级本振信号进行混频，第一、二级功率分别为18～22 dBm和5～9 dBm，频率分别为7.75～16.75 GHz和2 GHz/4 GHz，信号形式均为点频连续波。最终将频率为1.5 GHz±250 MHz的输出中频信号送入之后的信号处理分系统。

1.2.1 输入选择部分

如图1所示，输入选择部分包含了限幅器、低噪声放大器、射频开关和一个滤波器阵列，主要用于信号的放大和输入选择。在低噪放之后添加开关，通过这个射频开关进行输入选择，选择输入信号为外部接收信号或自检（Self Detection）信号。开关后面为滤波阵列，带宽分别从2～3 GHz，3～4 GHz，4～5 GHz，…，主要是用于系统的镜像抑制和频率选择，通过控制信号控制滤波阵列的通带。

1.2.2 混频部分

如图1所示，第一次混频之后的中频信号为3.5 GHz或者5.5 GHz，选择2～6 GHz的带通滤波器滤除无用信号，第二次混频后中频输出信号为1.5 GHz。由于经过两次混频后，其输出的有效频率范围是确定的，本身不会包含其他的频率，所以二次混频[3⁃4]过后的滤波器采用低通滤波器。

1.2.3 本振产生部分

如图1所示，因为系统具有四路相同的接收通路，所以为了保证多路相位的一致性，采用了两个不同频段的1⁃4功率分配器，将本振信号平均分配给4路相同的接收链路。

1.2.4 自动增益控制部分

如图1所示，设定要求系统的最终输出恒定为0 dBm，即在可接收范围内的输入信号，系统自动调整增益使得输出功率保持在0 dBm。采用了包含功率检测器和低通滤波器在内的反馈回路，并通过CPU来控制数控衰减器的衰减量（范围为-5～-55 dB），通过改变衰减量来改变链路总增益，使得最终输出信号的功率稳定在0 dBm左右。最终的输出信号进入功率检测器与由CPU提供的参考信号V_set进行比较，由于所选功率检测器具有峰值保值功能，所以可以输出一个频率相对较低的信号，再通过低通滤波器，得到一个不仅频率相对较低且平滑的信号，进入CPU的模/数转换器，再对衰减器（射频开关和滤波阵列以及两组本振信号）进行控制。

1.3 自检模式

在进行自检时，首先打开自检开关，系统进入自检模式，由基板的CPU提供一个自检信号，并对增益和工作状态进行控制。每个链路在输出端都有功率检测器。因此，可以通过增益的改变，同时观察输出信号的功率，即可知每一个链路是否正常工作。若检测结果为每一链路正常工作，则由CPU控制开关切换至工作端口。

2 主要参数计算

根据设计方案的要求进行系统的器件选型，所选器件核心参数如表1所示。

表1 系统增益和噪声系数分配

2.1 系统噪声分析

噪声系数[5⁃6]定义为总输出噪声功率与由输入信号经过系统引起的噪声功率之比。对于典型的线性系统（低功率时近似为线性），噪声系数可用输入信噪比与输出信噪比之比来表示：

对于级联系统来说，需要用系统中各级的增益以及噪声系数来确定系统的总噪声系数，对于典型的级联系统，若各级增益分别为G1，G2，G3；各级噪声系数为NF1，NF2，NF3；则系统总的噪声系数为：

2.2 系统增益分配

根据式（2）的分析可知，系统最前几级的增益和噪声系数决定了最终的噪声系数。对于本系统，可以将低噪放（LNA）视为第一级，即需要大增益的低噪放1和2，且采用的混频器1和2为2～18 GHz有源且低噪声的，并且具有很低的功耗。根据系统每一级的增益以及噪声系数，如图2所示，通过ADS[7⁃8]或直接代入式（2）计算最终的系统噪声系数为3.5 dB。

2.3 系统接收灵敏度

接收系统输入端能够接收并正确处理的最小信号电平即为接收系统灵敏度[9⁃10]（Psen），计算公式为：

式中：BW为系统调制带宽（亦接收带宽），在本文中为500 MHz；NF为系统总的噪声系数；SNRmin为后级信号处理基带能够分辨的最小信噪比，本系统中为10 dB。由于本系统的噪声系数为3.5 dB，将其代入式（3）便可以得到系统的灵敏度为-73.5 dBm。

2.4 系统动态范围

非理想的系统都是非线性的，至少在输入功率比较大时是如此的。电路的非线性会使得输出信号包含输入信号以外的频率成分，这些无用的成分会干扰有用信号，这就是谐波失真。系统内电路的线性度可以通过1 dB增益压缩点（P1 dB）或三阶交调点（IIP3）来体现[11]。而P1 dB和IIP3的关系为：

[IIP3-P1 dB=9.6] （4）

非线性对误码率起着决定性的作用，误码率会随输入信号增大而上升，同时输入信号减小，误码率也会随着信噪比的降低而上升。因此系统的动态范围（DR）由噪声系数与线性度共同决定。动态范围一般用系统1 dB增益压缩点（P1 dB）与系统接收灵敏度（Psen）之比来表示[12]。为保证系统在极限条件下仍能正常工作，设计最后两级的放大器之间插入衰减器，以避免第一级放大器放大后饱和，直接降低第二级的线性度，最终损坏系统的1 dB压缩点，降低动态范围。根据ADS仿真结果可得衰减器前第一级LNA、第二级LNA和第三极中频放大器的功率输出图，可以看出，衰减器前的1 dB压缩点为-14 dBm，如图3所示，可以计算得到系统在衰减器之前的动态范围约为59 dB。

然而当系统加上数控衰减器之后，整个系统的动态范围便不能按定义来看，输出如图4所示。可知，在-75～-25 dBm输出功率保持在系统要求的0 dBm，这个范围为正常可控范围；当输入功率达到-25 dBm后，衰减器达到最大衰减量-55 dB，随着输入增大，输出功率开始增大，直至饱和，这个范围为不可控范围。因此，系统动态范围取小的范围50 dB。

2.5 系统频率分配

根据所定变频范围，第一次变频所得中频IF1为5.5 GHz±250 MHz或3.5 GHz±250 MHz，第二次变频所得中频IF2为1.5 GHz±250 MHz，设计了系统的变频频率表如表2所示。

表2 超外差系统本振频率设置

2.6 系统功耗分析

根据所选取的芯片，每一个链路包含两个低噪声放大器，4个滤波器，两个混频器，一个功率检测器，2个中频放大器，其功耗分布如表3所示，总功耗为3.27 W。因此，4路通道的总功耗为13.1 W。其次，考虑到射频开关、DC⁃DC以及CPU的功耗，预计为6 W左右，故整个系统的功耗不到20 W。

3 结 语

本文设计了一个2～18 GHz超宽带接收分系统。最终设计结果如下：噪声系数为3.5 dB；接收机灵敏度为-73.5 dBm；接收机动态范围为50 dB；输出中频频率为1 500 MHz±250 MHz；通道间隔离度≥40 dB；中频输出幅度范围为-3～3 dBm。该系统具有对2～18 GHz信号进行搜索、对火控雷达信号进行截获、检测、自检等功能；可处理常规脉冲、线性调频脉冲、非线性调频脉冲、相位编码脉冲以及连续波等。

参考文献

[1] 刘墩文，林宇，胡建凯.超多通道宽带接收分系统[J].微波学报，2012（z1）：308⁃310.

[2] 李春利.多通道宽带雷达接收机研究[D].南京：南京理工大学，2008.

[3] 周建政，王志功，李莉，等.宽带无线接收机射频前端结构研究与设计[J].应用科学学报，2008，26（2）：155⁃161.

[4] 漆家国，曹广平.一种射频宽带接收机的设计[J].电讯技术， 2007，47（2）：89⁃91.

[5] 刘民伟.10 MHz～12 GHz 超宽带接收机的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2013：4⁃17.

[6] 黄健男.3.1～4.8 GHz宽带接收机射频前端电路研究与设计[D].武汉：华中科技大学，2012：6⁃18.

[7] 龚广伟，胡艳龙，韩方景，等.基于ADS的认知无线电接收机结构设计与仿真[J].电子信息对抗技术，2009，24（4）：30⁃33.

[8] 梅永胜，杨楠.基于ADS的雷达接收机系统研究与仿真[J].电子科技，2014，27（3）：136⁃139.

[9] 王健，穆铁军，王学芝.Ku 波段频综接收机研制[J].微波学报， 2012（z1）：172⁃174.

[10] 易惊涛.2～6 GHz通用接收机研究及关键电路的设计与实验[D].成都：电子科技大学，2007：5⁃12.

[11] 王辉.K波段宽带接收机前端关键部件研究[D].成都：电子科技大学，2012.

[12] 杨帆.宽带接收机关键电路模块的设计[D].成都：电子科技大学，2013.