一种安控接收机射频前端设计与仿真

潘丽娜，付 凡，姚先秀，赵广超

（1.航空工业洪都，江西 南昌，330024；2.空装驻南昌地区军事代表室，江西 南昌，330024）

0 引言

测控系统是飞行器飞行试验中重要的测量手段[1]，利用无线电遥测遥控技术实时获取各系统的工作状态和飞行器的飞行轨迹，完成飞行器的飞行控制和安全控制，并为飞行器性能评估和故障分析提供依据。安控接收机是测控系统的重要部件之一，其功能是将从天线接收到的微弱射频信号经过滤波、放大、混频等转换成固定中频信号，再通过基带处理进行AD 转换及数字解调，提取安控指令。其中，基带处理主要采用数字信号处理，目前技术比较成熟，且集成度很高，而射频前端的设计是安控接收机研发中非常关键的工作，其信号噪声、增益和灵敏度直接影响后续解调处理，对整个接收机的性能起到至关重要的作用。

目前接收机主要类型为超外差接收机和零中频接收机，零中频接收机存在直流漂移等问题，超外差接收机一般多采用一次或两次变频，减少多次混频带来的混频分量增多及设备体积偏大问题。本文借助Agilent 公司高频仿真软件ADS（Advanced Design System）对安控接收机射频前端进行设计和仿真[2]，采用传统超外差式设计方案，根据系统增益、噪声及灵敏度等要求设计射频前端的原理框图，对各器件进行增益分配、参数设计及仿真计算，并级联各模块单元进行整体匹配和优化设计，保证整体性能达到最优。

1 总体设计

1.1 需求与技术方案

根据系统需求，安控接收机技术指标要求为：

1）工作频段：1753.6MHz-1777.692MHz；

2）灵敏度：≤-130dBm；

3）带外抑制比：不小于65dB；

4）噪声系数：小于5dB。

本文所设计的射频前端模块原理框图如图1 所示：接收射频频率选择1760MHz，输出中频信号频率为70MHz，带宽为0.5MHz，输出中频信号预期增益0dBm，该系统采用一次混频方案，减少功耗和体积，利用三级放大将信号放大到0dBm，根据输入信号大小加入可变增益放大器对系统增益进行控制，保证信号输出不被压缩，提高系统灵敏度及近距离抗毁性能。具体射频前端模块原理图及增益分配如图1 所示。

图1 射频前端系统原理框图

1.2 元器件选型与设计

对于多级系统或多模块级联系统，系统的噪声系数[3]为：

其中，NF1到NFN代表第一级至第N 级器件的噪声系数，G1到GN代表第一级至第N 级器件的增益，由公式可得，系统的噪声主要取决于前端器件的噪声系数，后面级联的部件对整个接收机噪声系数造成的恶化较小，所以在选择前级放大器时着重考虑噪声系数的影响。

根据要求，前级放大器选择采用WanTom 公司的WH1722AE，工作频段1.7GHz-2.2GHz，该放大器具有30dB 的增益和0.55dB 的噪声系数（见表1），可作为接收机的第一级放大器。

表1 WH1722AE 指标参数

混频器采用集成VCO 功能的下变频器RFFC2072A，变频增益为-2dB，频率覆盖30MHz-2.7GHz，覆盖系统工作频段；放大器采用ERA-3SM+集成宽带放大器，增益在所需频段达到21dB；可变增益放大器采用AD8367，增益可调范围为-3.7dB-45dB，器件的具体参数见表2-表4。

表2 RFFC2072A 指标参数

表3 ERA-3SM+集成宽带放大器指标参数

表4 AD8367指标参数

利用ADS 中designguide 模块设计原理框图中的三款滤波器，根据原理图中设计参数要求，滤波器BPF1 采用三阶电路就可以实现，BPF2 和BPF3 设计为同款滤波器，二阶电路可以满足要求，具体参数设计结果分别如图2 和图3 所示，根据实际电阻电容参数对参数进行进一步优化设计。

图2 射频滤波器设计原理图

图3 中频滤波器设计原理图

2 仿真结果及性能分析

2.1 频带及信道选择性分析

根据选型结果，将各元器件模型带入到系统中进行仿真，对射频前端的前级系统进行S 参数仿真，查看系统的频带选择性，结果如图4 所示，可以看到，在中心频点1760MHz 处，增益为27dB，该值为低噪放的增益和滤波器的损耗差值，带外70MHz 处的抑制为67.635dB，射频信号通过前级放大和前级滤波后，带内信号放大、带外信号的抑制达到了系统指标要求。

图4 射频频带选择性仿真

对系统的信道选择性进行参数仿真，仿真结果如图5 所示，在中心频点1760MHz 处，增益为92dB，0.6MHz 处抑制达到30dB。查看图5 仿真细节图，可以看到，在0.5MHz 带宽内的增益起伏为0.004dB，带内信号平坦，不会使信号产生失真，较好地满足了系统要求。

图5 信道选择性仿真结果分析

2.2 增益预算仿真结果分析

采用ADS 软件中的增益预算仿真器BUDGET对系统进行增益预算仿真，由表5 结果可以看到系统各个元器件的参数，整个系统的输出功率为-0.027dBm，接近预期输出功率。由表6 系统参数仿真结果可得到系统的噪声系数为4.208dB，系统的带宽设置为0.5MHz，调制方式选择DPSK，若误码率要求按照不小于10-6计算，则SNR（信噪比）为10.5dB，由灵敏度计算公式[4]得到该系统的结果为-132.3dBm，小于-130dBm，噪声系数和灵敏度均满足系统指标要求。

表5 预算增益参数仿真结果

表6 系统参数仿真结果

对射频输入功率进行参数扫描，输入功率从-40dBm到-100dBm 变化，步进取10dB，仿真射频前端的输出功率，结果如图6 所示，系统输入最大或最小功率时，输出均为0 dBm。对各器件的增益分配进行分析，结果如图7 所示，当系统输入接收机所能接收到的最大信号时，AGC 的增益最小，为0dB，当系统输入最小输入功率时，AGC 的增益最大，为40dB，AGC 器件的性能指标满足系统应用需求。

图6 功率扫描仿真结果

图7 最大输入功率和最小输入功率时各模块增益分配

2.3 镜像抑制性能分析

将射频输入频率换成镜像频率1620MHz，采用谐波平衡仿真，由图8 和图9 仿真结果可以看到，中频输出功率为-101.052dBm，对比原始信号中频输出为-0.027dBm，镜像干扰抑制达到101.025dB,可以看到镜像频率信号得到了很好的抑制。

图8 原始中频输出信号

图9 镜像干扰中频输出信号

3 结语

本文根据安控接收机的指标要求进行接收机射频前端的设计及研究，根据技术指标对各模块指标进行拆分，并对其中元器件进行选型设计。借助ADS 仿真软件，对设计的原理图进行仿真，分别对射频前端的混频特性、增益特性及选择性进行了仿真，实际仿真结果表明接收机射频前端性能良好，达到了指标要求，具有较好的实用性。