基于宽带射频接收机功能电路的虚假响应分析

漆家国

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)



基于宽带射频接收机功能电路的虚假响应分析

漆家国

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

摘要虚假响应是衡量宽带射频接收机性能的一项重要指标。从频率变换角度对宽带射频接收机的架构进行分类，并以组成宽带射频接收机架构的功能电路为载体，把虚假响应类别归纳为频率设计、非线性失真和电磁兼容3个方面。从宽带射频接收机的方案设计和模块电路设计对这3类虚假响应的机理进行分析，给出了在工程实现上避免或减小射频宽带接收机虚假响应的具体措施。

关键词虚假响应；宽带射频接收机；频率设计；非线性失真；电磁兼容

0引言

射频宽带接收机广泛应用于频率监测与跟踪、频率资源使用情况的普查和电子战的无线电侦察与对抗等领域，而虚假响应则是衡量射频宽带接收机性能的一项重要指标。射频宽带接收机的虚假响应定义为输入端口没有激励信号时，输出端口有响应输出[1]，这是一种广义的定义虚假响应。但要全面反映接收机的虚假响应，对虚假响应定义还应补充另一种狭义情况，即输入端口有激励信号时，输出端口的输出响应除自身激励信号应有的输出响应外，还出现其他多余的输出响应，这种其他多余的输出响应也应称为虚假响应，这种狭义虚假响应的特点是激励信号电平需要达到一定的强度时才出现，且随激励信号的消失而消失。无论是广义的虚假响应还是狭义的虚假响应，都会干扰射频接收机对信号的正常接收，造成接收系统的虚警和漏判。

参考文献[1-3]从狭义的虚假响应角度，对接收频带内的多信号组合分量产生的虚假响应及其测试情况进行探讨，参考文献[4]对接收机广义和狭义的虚假响应进行了部分的归纳总结。但文献[1-3]与接收机的架构及功能电路结合不足；文献[4]则侧重于结论性的总结，与接收机的具体设计和工程实现的论述不足；而在电磁兼容方面，文献[5-6]从电磁兼容方面进行部分归纳总结，但没有结合电路进行分析。因此，从接收机的架构和电路方案设计等角度还没有文献进行论述。本文从射频宽带接收机的架构入手，以功能电路为基本单元，把射频宽带接收机的虚假响应表现形式及其类别与接收机的功能电路单元对应起来，采用定性和实验数据相结合的分析方法，对接收机产生虚假响应的根源进行剖析，从设计和工程实现方面给出了解决措施。 [9-10]对提高接收机的线性进行了一些分析，但最简洁的方式就是用泰勒级数展开的非线性的伏安特性，如(4)式所示[11]：

1通用架构和虚假响应类型

从功能上看，宽带射频接收机种类繁多，参考文献[7-8]对接收机种类进行了归纳分类。但从频率变换关系上看，就只分为直通放大模式和超外差变频放大模式(以二次变频为例)2类。直通放大模式射频接收机架构如图1所示，超外差变频模式射频接收机架构如图2所示。

图1　直通放大模式射频接收机架构

图2　超外差变频模式射频接收机架构

针对图1和图2两种模式的射频接收机的架构，对应于各功能电路单元产生的虚假响应的表现形式和类型如表1所示。

表1　虚假响应的表现形式和类型

2虚假响应分析与解决措施

2.1频率设计性虚假响应分析解决措施

频率设计性虚假是指接收机的整机频率流程设计和本振频率合成设计等设计环节引入的虚假响应。虽然这类虚假响应是基本上通过电路的非线性体现出来，但其根本原因还是由于设计产生的，因此，这类虚假响应归结为频率设计性虚假。频率设计性虚假主要体现在以下4个方面。

2.1.1本振与非工作频点的组合虚假响应

对于这类组合分量，一次频率变换(多次变频可分解为多个一次频率变换)情况下考虑消除5阶(含5阶)以下的组合分量就可以满足使用要求。在电路实现时由于滤波器的带外抑制效应和平衡混频器对偶次组合的抑制效应等因数，分析的重点就转化为带内的3阶组合分量。

高低本振2种方案对应的中频频率和可能的带内3阶组合分量如表2所示。

表2　中频频率和可能的带内3阶组合分量

参考表2可能出现的带内3阶组合分量，根据滤波器能实现的矩形系数，计算出对中频频率选取范围的约束条件和接收频段的亚倍频程分段滤波要求。

通过理论计算和工程验证，减小或避免此类干扰应采取措施如下：

① 采取高本振、高中频的方案是避免3阶干扰的优选方案；

② 对接收频段采取亚倍频程分段滤波；

③ 中频频率的选择应满足表2组合分量计算结果的约束条件。

2.1.2本振频率间的组合分量的虚假响应

对于采取二次及以上的频率变换的射频接收机来说，本振频率间的组合分量可能落在接收频率或中频频率带宽范围内，其干扰计算公式为:

±mfl1±nfl2=fr和±mfl1±nfl2=fi。

而本振信号的电平相对接收机的最小接收电平(灵敏度)来说，电平差甚至超过100 dB以上，其组合分量的电平的工程实测数据可达-90 dBm，对于高灵敏度(比如优于-120 dBm)接收机来说，虚假响应电平属于中强电平。

针对该类虚假产生的机理，减小或避免此类虚假的措施如下：

① 优化频率设计，减少落在接收机接收频率范围内的组合分量的数量；

② 对落在接收频段范围内的极少数的组合分量，其组合阶数应控制在5阶以上；

③ 禁止组合干扰分量落在接收机的中频频率范围内。

2.1.3本振频率合成过程中的虚假响应

本振电路在频率合成时采用的时钟整形电路、分频电路和倍频电路等非线性电路，会产生离散的频率分量。由于这类电路的工作电平较强，产生的虚假响应信号电平也较强，若落在接收机的接收频段范围或中频频率带宽范围内，也使射频接收机产生较强的虚假响应。其传播路径是供电线、射频连接电缆和地回路，通过传导和辐射方式进入接收电路。

要减小这类虚假响应，应满足的设计原则和采取的措施如下：

① 优化频率合成电路的实现方式，少用外置的固定分频电路；

② 禁止虚假分量的频率落在中频频率范围内；

③对不同功能电路的供电、数字地和模拟地进行滤波隔离。

2.1.4镜频分量和中频分量的虚假响应

镜频分量在设计时着重考虑与外部环境相关的一镜频分量(对于采取二次及以上的频率变换宽带接收机，二镜频及以上的分量通过频率流程设计和中频滤器的设计解决)。因此，本文讨论镜频分量特指一镜频分量。

镜频分量、接收频率分量与本振分量满足下列关系：

对于高本振方案，

fl-fr=fm-fl=fi。

(1)

式中，fm为镜频频率。

对于低本振方案，

fl-fr=fl-fm=fi。

(2)

由式(1)和式(2)可知，镜频对接收机产生虚假的实质是镜频分量与本振分量在接收电路中混频器的作用下，产生的频率分量与中频频率相同。

无论是采取高本振还是低本振频率设计方案，镜频分量与接收频率分量满足下列关系：

(3)

由于对镜像频率的抑制主要是依赖于预选滤波器和镜频抑制滤波器，因此由式(3)和滤波器的矩形系数指标可知，要达到对镜频分量有效抑制的要求，就必须尽量提高中频频率数值。

中频分量的虚假响应是指外界的频率分量或接收机自身频率合成时产生的频率分量落在接收机的中频频率范围内，通过传导和辐射方式进入接收机的中频电路，导致接收机产生虚假输出。中频分量产生的虚假响应最严重的后果是导致接收机失效，因此，必须从设计源头上避免中频干扰。

避免中频干扰应注意以下几点：

① 一中频频率的选择尽量远离接收频率范围；

② 中频频率的选择应避开大功率的民用设备发射频率(比如移动通信频率等)；

③ 禁止本振频率间的组合分量和本振电路的非线性频率分量等落在中频频率范围内。

2.2非线性失真虚假响应分析与解决措施

接收机的非线性失真是指输入信号电平大于接收机的线性工作的最大电平值时，接收机工作在非线性状态下产生的谐波分量和组合分量，这些分量如果落在接收机的各次中频的通带内，就会产生虚假输出。

(4)

式中，an(n=0,1,2…∞)为展开系数。

输入信号电压可表示为：

u=A1cosω1t+A2cosω2t+…+Amcosωmt。

(5)

式中，若m=1，则u=A1cosω1t，表示单音信号输入，这时的非线性就只存在谐波分量。若m≥2，则u=A1cosω1t+A2cosω2t+…+Aicosωit，这时的非线性不仅存在谐波分量，而且还存在2阶、3阶及以上的组合分量。

工程设计和实验验证表明，落在接收机带内的谐波分量、2阶组合分量和3阶组合分量产生的虚假响应最为严重的。

非线性虚假响应是由接收机的线性动态决定，只能通过设计解决和调试优化。采取的措施如下：

① 针对谐波分量和2阶组合分量，采取亚倍频分段滤波和提高接收电路器件的线性度来减小虚假响应。

② 对3阶组合分量，采取提高接收电路器件的线性度和优化接收链路增益分配的方法来减小虚假响应。

2.3电磁兼容性虚假响应分析解决措施

依据参考文献[12-13]，解决电磁兼容性虚假的关键是要找准干扰源、干扰传输路径和敏感电路这3要素。工程上采取电路拓扑结构分析和实验相结合的方法解决该问题。针对图1和图2的宽带射频接收机的架构，结合电源电路、数字电路和时钟电路等产生的频率分量、杂散分量和噪声对接收机产生的虚假响应的实验数据，采取屏蔽、滤波[14]和接地[15]等技术手段，从而达到减小电磁兼容性虚假响应的目的。

2.3.1开关电源的噪声和杂散分量的虚假响应

由于开关电源的频率分量、噪声分量和杂散分量对某频段的宽带超外差变频模式射频接收机产生虚假响应的实测数据如图3所示。从这3个频谱图的虚假分量的数量、电平强弱和噪声基底的变化趋势可知，电源产生的虚假响应不仅影响接收机在存在干扰频点的信号的正常接收，而且由于频段内噪声基底的升高而影响接收灵敏度。

图3　宽带射频接收机的反演频谱

通过对接收机电路的拓扑结构分析发现，开关电源的噪声是以接收机内部的供电线路为路径，通过传导方式对噪声敏感的本振电路形成干扰。噪声通过调制的方式调制到本振频谱上，以混频的方式进入接收电路，导致接收机产生虚假响应。

为了解决电源的品质因数对接收机产生的虚假响应，在设计和工程实现时应采取的措施如下：

① 选用低纹波的电源变换器，对电源变换器的输出采取差模、共模或二者相结合的滤波措施，通常要求滤波后的电源纹波<50 mV。

② 对电源纹波比较敏感的电路(比如环路滤波器、VCO等电路)应在靠近电路的供电端口再次采取滤波措施。

③ 信号线(尤其是射频信号链路的传输线)应远离电源线和采取隔离措施。

④ 数字电路和模拟电路的地回路、共用电源的供电回路应采取对直流直通和对交流高阻的滤波隔离措施。

2.3.2时钟频率及其杂散的虚假响应

接收机的数字电路和模拟电路的时钟情况分为2种：一种情况是数字电路和模拟电路共用时钟(本文简称“同源”)；另一种情况是数字电路和模拟电路的时钟各自独立(本文简称“异源”)。在“异源”情况下，对数字电路的时钟采取措施前后的某频段宽带接收机的输出频谱如图4所示。从图4可知，时钟电路对接收机的虚假响应主要体现在接收机的输出频谱杂散上，对噪声基底的影响较小。

图4　时钟电路产生的虚假响应比对

为了减小和避免时钟频率及其杂散对接收机产生的虚假响应，针对“异源”和“同源”的差异，在设计和工程实现时应采取以下措施：

① 在“异源”情况下，所有数字电路使用同一基准时钟；

② 在“异源”情况下，数字电路和模拟电路基准时钟不能同频；

③ 在“异源”情况下，在满足控制逻辑信号波形条件下尽量减小时钟频率的谐波分量；

④ 在“同源”情况下，模拟电路和数字电路的时钟接口要采取放大隔离和滤波隔离措施；

⑤ 无论是“同源”还是“异源”情况，应压缩倍频和分频的时钟频率的种类；

⑥ 无论是“同源”还是“异源”情况，时钟电路的布线采用地回路隔离。

3结束语

由于决定和影响射频宽带接收机的虚假响应因素贯穿于接收机的总体方案设计、功能电路的方案设计和工程实施等各个环节，本文结合接收机的功能电路对虚假响应产生的原因进行剖析，并给出了工程应用中的解决措施，希望对射频接收机研制工作具有一定参考价值。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.22

收稿日期：2016-04-04

中图分类号TN850

文献标志码A

文章编号1003-3106(2016)07-0084-05

作者简介

漆家国男，(1972—)，硕士，高级工程师。主要研究方向：外弹道测量和电子侦察。

Analysis on Spurious Response Based on Functional Circuit of Wideband RF Receiver

QI Jia-guo

(SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology,ChengduSichuan610036，China)

AbstractThe spurious response is an important index to judge the performance of wideband RF receivers.By classifying wideband RF receiver framework from frequency conversion and using functional circuit forming the framework as the carrier,the spurious response is divided into such three aspects as frequency design,non-linear distortion and EMC.The mechanization of these three types of spurious response is analyzed in the design on wideband RF receivers and functional circuits,and the specific measures are given so as to avoid or reduce the spurious response of wideband RF receiver in the engineering.

Key wordsspurious response;RF wideband receiver;frequency design;non-linear distortion;EMC

引用格式：漆家国.基于宽带射频接收机功能电路的虚假响应分析[J].无线电工程,2016,46(7):84-88.