一种大动态范围射频接收机的设计*

(中国西南电子技术研究所，成都610036)

1 引 言

随着人类进入信息化时代，各种军民用无线电系统及设备不断增多,功能也越来越强大，信号形式纷繁复杂，空间的电磁环境越发复杂。某些电子系统中，为保证对微弱信号的接收质量，要求接收系统具有高灵敏度；另外，工作环境又要求其具有强的抗干扰能力，因此对接收机的动态范围提出了越来越高的要求，即要求接收机的双音动态范围大。接收机的双音动态范围取决于其三阶截点的大小，但选用高三阶截点器件需以牺牲功耗为代价，因而在设计接收系统时需要多方权衡。文献[1-7]都是从理论上对接收机的双音动态(线性度)与三阶互调截点的关系进行了分析。本文以某工程接收机双音动态范围设计过程为主线,从分析其三阶截点大小出发，合理选择各级器件，设计了一款大动态范围、小功耗射频接收机。

2 技术指标分析与方案选择

2.1 双音动态范围分析

接收机的双音动态范围表示在接收机输入端加频率很近的两信号，当输出三阶组合频率恰好等于有用信号频率的情况下，输入信号的下限为灵敏度电平Pin,min，输入信号的上限Pin,max规定为此输入信号在输出端引起的三阶互调失真分量(IM3)折合到输入端恰好等于灵敏度电平Pin,min[1]。接收机的三阶截点(IP3)越大，相同信号下IM3越小，双音动态范围越大。而接收机的IP3只决定于其本身的非线性特性，与输入信号幅度无关，所以工程应用上通常用IP3来衡量接收机线性度[3]。

接收机灵敏度电平(Pin，min)、噪声系数(NF)、信噪比(SNR)、视频带宽(B)、输入三阶截点(IIP3)、最大输入电平(Pin，max)、基底噪声(Ft)之间的关系如下式[2]所列：

Pin,min=-174 dBm/Hz+NF(dB)+

10 lgB+(SNR)o,min=Ft+(SNR)o,min

(1)

3Pin,max=2IIP3+Pin,min

(2)

DRf(dB)=[2IIP3(dBm)+Ft(dB)]/3-

[Ft(dB)+(SNR)o,min(dB)]

(3)

根据本接收机的技术指标要求，将SNR=0、Ft=-125 dBm、NF=5 dB代入式(1)，得到中频输出带宽为25 kHz。

把SNR=0、Ft=-125 dBm、DRf=55 dB代入式(3)，得到输入三阶截点IIP3=-42.5 dBm，同时在70 dB增益的要求下，可计算出此接收机的输出三阶截点OIP3=27.5 dBm。

把Pin,min=Ft=-125 dBm、IIP3=-42.5 dBm代入式(2)，计算出此接收机最大输入电平Pin,max=-70 dBm。

但接收机的IIP3与各级联非线性器件的IIP3之间存在下列关系[2]:

(4)

式中，A1为第一级器件的增益，A2为第二级器件的增益。

式(4)表明：系统的IIP3小于每一级的IIP3，并且前级的增益越大，对后级器件的线性度要求越严；系统的IIP3只与最后一级非线性器件的IIP3有关，而与其增益无关。所以在器件的选择上要考虑前级放大器的增益尽可能小，末级放大器的增益尽可能大。这样对链路中前级非线性器件的要求降低，功耗减小。

2.2 方案选择

由于输入频率范围接近倍频程宽带，为防止谐波、一中频、镜频造成虚假响应，结合系统使用环境、输入输出频率关系，电路采用三次混频方案。简单的电路框图如图1所示。

图1 电路框图

从接收机的三阶截点考虑，图1电路中，前级的低噪声放大器主要是保证噪声系数不受后级电路的影响；一中、二中放大器主要是抵消混频器和滤波器的插损；增益主要由三中频放大器提供。这样，此接收机对器件三阶截点的要求主要集中在末级和末前级的放大器上，可选器件范围拓宽很多。

3 电路实现及仿真

3.1 电平分配及OIP3的计算

根据上述分析结果并结合图1，各级器件的增益、OIP3、噪声系数，以及在大、小信号下电平分配关系如表1所示。

表1 电平分配

从表1可以看出，所有器件中三阶截点最小的是混频器，所以三混前在电平分配上一定要保证混频器在大信号下的线性余量。

3.2 OIP3的仿真计算

把各级器件的噪声系数、增益、输出三阶截点参数代入工具软件AppCAD，计算结果如图2所示，此种情况下接收机的输出三阶截点约为31 dBm，双音动态范围约为57 dB。

图2 三阶截点和双音动态的计算

3.3 双音动态范围的仿真

参照图1及图2，利用ADS仿真软件搭建原理图进行谐波平衡仿真。输入端加了f0+spacing和f0+2×spacing(spacing=50 kHz保证混频后两基波均落在带内)2个等幅信号，在3个混频器之后均设有观测点Vout1、Vout2、Vout3及输出端Vout，以便观察其互调大小，其框图如图3所示。

输入电平设为-70 dBm，仿真得到各观测点的互调输出如图4所示。因涉及具体工程项目的频率关系，图中对频率作了相应处理。从图4中可以看出，此时前3个测试点的输出三阶互调抑制比都很大，而经过两个三中频放大器后三阶交调抑制比变化很大，但能满足技术指标要求。由于ADS仿真软件中视滤波器为无源线性器件，所以输出的三阶交调抑制上略高于图2中的计算值。

图3 仿真电路框图

图4 仿真结果

4 结 论

从上述分析可知，要设计双音动态范围大、低功耗宽带射频接收机，必须合理分配各级增益，链路余量适宜、各级均衡，并着重考虑末级、末前级放大器的三阶截点及增益大小。另外，一般在设计接收设备时，视无源滤波器为线性器件，但实际上，当系统动态范围要求高时，信道滤波器等无源器件的无源互调也是需要考虑的因素，设计中应予以重视。

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