基于寬帶射頻接收機(jī)功能電路的虛假響應(yīng)分析

漆家國

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

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基于寬帶射頻接收機(jī)功能電路的虛假響應(yīng)分析

漆家國

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

摘要虛假響應(yīng)是衡量寬帶射頻接收機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。從頻率變換角度對寬帶射頻接收機(jī)的架構(gòu)進(jìn)行分類，并以組成寬帶射頻接收機(jī)架構(gòu)的功能電路為載體，把虛假響應(yīng)類別歸納為頻率設(shè)計(jì)、非線性失真和電磁兼容3個(gè)方面。從寬帶射頻接收機(jī)的方案設(shè)計(jì)和模塊電路設(shè)計(jì)對這3類虛假響應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行分析，給出了在工程實(shí)現(xiàn)上避免或減小射頻寬帶接收機(jī)虛假響應(yīng)的具體措施。

關(guān)鍵詞虛假響應(yīng)；寬帶射頻接收機(jī)；頻率設(shè)計(jì)；非線性失真；電磁兼容

0引言

射頻寬帶接收機(jī)廣泛應(yīng)用于頻率監(jiān)測與跟蹤、頻率資源使用情況的普查和電子戰(zhàn)的無線電偵察與對抗等領(lǐng)域，而虛假響應(yīng)則是衡量射頻寬帶接收機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。射頻寬帶接收機(jī)的虛假響應(yīng)定義為輸入端口沒有激勵信號時(shí)，輸出端口有響應(yīng)輸出[1]，這是一種廣義的定義虛假響應(yīng)。但要全面反映接收機(jī)的虛假響應(yīng)，對虛假響應(yīng)定義還應(yīng)補(bǔ)充另一種狹義情況，即輸入端口有激勵信號時(shí)，輸出端口的輸出響應(yīng)除自身激勵信號應(yīng)有的輸出響應(yīng)外，還出現(xiàn)其他多余的輸出響應(yīng)，這種其他多余的輸出響應(yīng)也應(yīng)稱為虛假響應(yīng)，這種狹義虛假響應(yīng)的特點(diǎn)是激勵信號電平需要達(dá)到一定的強(qiáng)度時(shí)才出現(xiàn)，且隨激勵信號的消失而消失。無論是廣義的虛假響應(yīng)還是狹義的虛假響應(yīng)，都會干擾射頻接收機(jī)對信號的正常接收，造成接收系統(tǒng)的虛警和漏判。

參考文獻(xiàn)[1-3]從狹義的虛假響應(yīng)角度，對接收頻帶內(nèi)的多信號組合分量產(chǎn)生的虛假響應(yīng)及其測試情況進(jìn)行探討，參考文獻(xiàn)[4]對接收機(jī)廣義和狹義的虛假響應(yīng)進(jìn)行了部分的歸納總結(jié)。但文獻(xiàn)[1-3]與接收機(jī)的架構(gòu)及功能電路結(jié)合不足；文獻(xiàn)[4]則側(cè)重于結(jié)論性的總結(jié)，與接收機(jī)的具體設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)的論述不足；而在電磁兼容方面，文獻(xiàn)[5-6]從電磁兼容方面進(jìn)行部分歸納總結(jié)，但沒有結(jié)合電路進(jìn)行分析。因此，從接收機(jī)的架構(gòu)和電路方案設(shè)計(jì)等角度還沒有文獻(xiàn)進(jìn)行論述。本文從射頻寬帶接收機(jī)的架構(gòu)入手，以功能電路為基本單元，把射頻寬帶接收機(jī)的虛假響應(yīng)表現(xiàn)形式及其類別與接收機(jī)的功能電路單元對應(yīng)起來，采用定性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的分析方法，對接收機(jī)產(chǎn)生虛假響應(yīng)的根源進(jìn)行剖析，從設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)方面給出了解決措施。 [9-10]對提高接收機(jī)的線性進(jìn)行了一些分析，但最簡潔的方式就是用泰勒級數(shù)展開的非線性的伏安特性，如(4)式所示[11]：

1通用架構(gòu)和虛假響應(yīng)類型

從功能上看，寬帶射頻接收機(jī)種類繁多，參考文獻(xiàn)[7-8]對接收機(jī)種類進(jìn)行了歸納分類。但從頻率變換關(guān)系上看，就只分為直通放大模式和超外差變頻放大模式(以二次變頻為例)2類。直通放大模式射頻接收機(jī)架構(gòu)如圖1所示，超外差變頻模式射頻接收機(jī)架構(gòu)如圖2所示。

圖1　直通放大模式射頻接收機(jī)架構(gòu)

圖2　超外差變頻模式射頻接收機(jī)架構(gòu)

針對圖1和圖2兩種模式的射頻接收機(jī)的架構(gòu)，對應(yīng)于各功能電路單元產(chǎn)生的虛假響應(yīng)的表現(xiàn)形式和類型如表1所示。

表1　虛假響應(yīng)的表現(xiàn)形式和類型

2虛假響應(yīng)分析與解決措施

2.1頻率設(shè)計(jì)性虛假響應(yīng)分析解決措施

頻率設(shè)計(jì)性虛假是指接收機(jī)的整機(jī)頻率流程設(shè)計(jì)和本振頻率合成設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)引入的虛假響應(yīng)。雖然這類虛假響應(yīng)是基本上通過電路的非線性體現(xiàn)出來，但其根本原因還是由于設(shè)計(jì)產(chǎn)生的，因此，這類虛假響應(yīng)歸結(jié)為頻率設(shè)計(jì)性虛假。頻率設(shè)計(jì)性虛假主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

2.1.1本振與非工作頻點(diǎn)的組合虛假響應(yīng)

對于這類組合分量，一次頻率變換(多次變頻可分解為多個(gè)一次頻率變換)情況下考慮消除5階(含5階)以下的組合分量就可以滿足使用要求。在電路實(shí)現(xiàn)時(shí)由于濾波器的帶外抑制效應(yīng)和平衡混頻器對偶次組合的抑制效應(yīng)等因數(shù)，分析的重點(diǎn)就轉(zhuǎn)化為帶內(nèi)的3階組合分量。

高低本振2種方案對應(yīng)的中頻頻率和可能的帶內(nèi)3階組合分量如表2所示。

表2　中頻頻率和可能的帶內(nèi)3階組合分量

參考表2可能出現(xiàn)的帶內(nèi)3階組合分量，根據(jù)濾波器能實(shí)現(xiàn)的矩形系數(shù)，計(jì)算出對中頻頻率選取范圍的約束條件和接收頻段的亞倍頻程分段濾波要求。

通過理論計(jì)算和工程驗(yàn)證，減小或避免此類干擾應(yīng)采取措施如下：

① 采取高本振、高中頻的方案是避免3階干擾的優(yōu)選方案；

② 對接收頻段采取亞倍頻程分段濾波；

③ 中頻頻率的選擇應(yīng)滿足表2組合分量計(jì)算結(jié)果的約束條件。

2.1.2本振頻率間的組合分量的虛假響應(yīng)

對于采取二次及以上的頻率變換的射頻接收機(jī)來說，本振頻率間的組合分量可能落在接收頻率或中頻頻率帶寬范圍內(nèi)，其干擾計(jì)算公式為:

±m(xù)fl1±nfl2=fr和±m(xù)fl1±nfl2=fi。

而本振信號的電平相對接收機(jī)的最小接收電平(靈敏度)來說，電平差甚至超過100 dB以上，其組合分量的電平的工程實(shí)測數(shù)據(jù)可達(dá)-90 dBm，對于高靈敏度(比如優(yōu)于-120 dBm)接收機(jī)來說，虛假響應(yīng)電平屬于中強(qiáng)電平。

針對該類虛假產(chǎn)生的機(jī)理，減小或避免此類虛假的措施如下：

① 優(yōu)化頻率設(shè)計(jì)，減少落在接收機(jī)接收頻率范圍內(nèi)的組合分量的數(shù)量；

② 對落在接收頻段范圍內(nèi)的極少數(shù)的組合分量，其組合階數(shù)應(yīng)控制在5階以上；

③ 禁止組合干擾分量落在接收機(jī)的中頻頻率范圍內(nèi)。

2.1.3本振頻率合成過程中的虛假響應(yīng)

本振電路在頻率合成時(shí)采用的時(shí)鐘整形電路、分頻電路和倍頻電路等非線性電路，會產(chǎn)生離散的頻率分量。由于這類電路的工作電平較強(qiáng)，產(chǎn)生的虛假響應(yīng)信號電平也較強(qiáng)，若落在接收機(jī)的接收頻段范圍或中頻頻率帶寬范圍內(nèi)，也使射頻接收機(jī)產(chǎn)生較強(qiáng)的虛假響應(yīng)。其傳播路徑是供電線、射頻連接電纜和地回路，通過傳導(dǎo)和輻射方式進(jìn)入接收電路。

要減小這類虛假響應(yīng)，應(yīng)滿足的設(shè)計(jì)原則和采取的措施如下：

① 優(yōu)化頻率合成電路的實(shí)現(xiàn)方式，少用外置的固定分頻電路；

② 禁止虛假分量的頻率落在中頻頻率范圍內(nèi)；

③對不同功能電路的供電、數(shù)字地和模擬地進(jìn)行濾波隔離。

2.1.4鏡頻分量和中頻分量的虛假響應(yīng)

鏡頻分量在設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮與外部環(huán)境相關(guān)的一鏡頻分量(對于采取二次及以上的頻率變換寬帶接收機(jī)，二鏡頻及以上的分量通過頻率流程設(shè)計(jì)和中頻濾器的設(shè)計(jì)解決)。因此，本文討論鏡頻分量特指一鏡頻分量。

鏡頻分量、接收頻率分量與本振分量滿足下列關(guān)系：

對于高本振方案，

fl-fr=fm-fl=fi。

(1)

式中，fm為鏡頻頻率。

對于低本振方案，

fl-fr=fl-fm=fi。

(2)

由式(1)和式(2)可知，鏡頻對接收機(jī)產(chǎn)生虛假的實(shí)質(zhì)是鏡頻分量與本振分量在接收電路中混頻器的作用下，產(chǎn)生的頻率分量與中頻頻率相同。

無論是采取高本振還是低本振頻率設(shè)計(jì)方案，鏡頻分量與接收頻率分量滿足下列關(guān)系：

(3)

由于對鏡像頻率的抑制主要是依賴于預(yù)選濾波器和鏡頻抑制濾波器，因此由式(3)和濾波器的矩形系數(shù)指標(biāo)可知，要達(dá)到對鏡頻分量有效抑制的要求，就必須盡量提高中頻頻率數(shù)值。

中頻分量的虛假響應(yīng)是指外界的頻率分量或接收機(jī)自身頻率合成時(shí)產(chǎn)生的頻率分量落在接收機(jī)的中頻頻率范圍內(nèi)，通過傳導(dǎo)和輻射方式進(jìn)入接收機(jī)的中頻電路，導(dǎo)致接收機(jī)產(chǎn)生虛假輸出。中頻分量產(chǎn)生的虛假響應(yīng)最嚴(yán)重的后果是導(dǎo)致接收機(jī)失效，因此，必須從設(shè)計(jì)源頭上避免中頻干擾。

避免中頻干擾應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

① 一中頻頻率的選擇盡量遠(yuǎn)離接收頻率范圍；

② 中頻頻率的選擇應(yīng)避開大功率的民用設(shè)備發(fā)射頻率(比如移動通信頻率等)；

③ 禁止本振頻率間的組合分量和本振電路的非線性頻率分量等落在中頻頻率范圍內(nèi)。

2.2非線性失真虛假響應(yīng)分析與解決措施

接收機(jī)的非線性失真是指輸入信號電平大于接收機(jī)的線性工作的最大電平值時(shí)，接收機(jī)工作在非線性狀態(tài)下產(chǎn)生的諧波分量和組合分量，這些分量如果落在接收機(jī)的各次中頻的通帶內(nèi)，就會產(chǎn)生虛假輸出。

(4)

式中，an(n=0,1,2…∞)為展開系數(shù)。

輸入信號電壓可表示為：

u=A1cosω1t+A2cosω2t+…+Amcosωmt。

(5)

式中，若m=1，則u=A1cosω1t，表示單音信號輸入，這時(shí)的非線性就只存在諧波分量。若m≥2，則u=A1cosω1t+A2cosω2t+…+Aicosωit，這時(shí)的非線性不僅存在諧波分量，而且還存在2階、3階及以上的組合分量。

工程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，落在接收機(jī)帶內(nèi)的諧波分量、2階組合分量和3階組合分量產(chǎn)生的虛假響應(yīng)最為嚴(yán)重的。

非線性虛假響應(yīng)是由接收機(jī)的線性動態(tài)決定，只能通過設(shè)計(jì)解決和調(diào)試優(yōu)化。采取的措施如下：

① 針對諧波分量和2階組合分量，采取亞倍頻分段濾波和提高接收電路器件的線性度來減小虛假響應(yīng)。

② 對3階組合分量，采取提高接收電路器件的線性度和優(yōu)化接收鏈路增益分配的方法來減小虛假響應(yīng)。

2.3電磁兼容性虛假響應(yīng)分析解決措施

依據(jù)參考文獻(xiàn)[12-13]，解決電磁兼容性虛假的關(guān)鍵是要找準(zhǔn)干擾源、干擾傳輸路徑和敏感電路這3要素。工程上采取電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法解決該問題。針對圖1和圖2的寬帶射頻接收機(jī)的架構(gòu)，結(jié)合電源電路、數(shù)字電路和時(shí)鐘電路等產(chǎn)生的頻率分量、雜散分量和噪聲對接收機(jī)產(chǎn)生的虛假響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采取屏蔽、濾波[14]和接地[15]等技術(shù)手段，從而達(dá)到減小電磁兼容性虛假響應(yīng)的目的。

2.3.1開關(guān)電源的噪聲和雜散分量的虛假響應(yīng)

由于開關(guān)電源的頻率分量、噪聲分量和雜散分量對某頻段的寬帶超外差變頻模式射頻接收機(jī)產(chǎn)生虛假響應(yīng)的實(shí)測數(shù)據(jù)如圖3所示。從這3個(gè)頻譜圖的虛假分量的數(shù)量、電平強(qiáng)弱和噪聲基底的變化趨勢可知，電源產(chǎn)生的虛假響應(yīng)不僅影響接收機(jī)在存在干擾頻點(diǎn)的信號的正常接收，而且由于頻段內(nèi)噪聲基底的升高而影響接收靈敏度。

圖3　寬帶射頻接收機(jī)的反演頻譜

通過對接收機(jī)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，開關(guān)電源的噪聲是以接收機(jī)內(nèi)部的供電線路為路徑，通過傳導(dǎo)方式對噪聲敏感的本振電路形成干擾。噪聲通過調(diào)制的方式調(diào)制到本振頻譜上，以混頻的方式進(jìn)入接收電路，導(dǎo)致接收機(jī)產(chǎn)生虛假響應(yīng)。

為了解決電源的品質(zhì)因數(shù)對接收機(jī)產(chǎn)生的虛假響應(yīng)，在設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)時(shí)應(yīng)采取的措施如下：

① 選用低紋波的電源變換器，對電源變換器的輸出采取差模、共?；蚨呦嘟Y(jié)合的濾波措施，通常要求濾波后的電源紋波<50 mV。

② 對電源紋波比較敏感的電路(比如環(huán)路濾波器、VCO等電路)應(yīng)在靠近電路的供電端口再次采取濾波措施。

③ 信號線(尤其是射頻信號鏈路的傳輸線)應(yīng)遠(yuǎn)離電源線和采取隔離措施。

④ 數(shù)字電路和模擬電路的地回路、共用電源的供電回路應(yīng)采取對直流直通和對交流高阻的濾波隔離措施。

2.3.2時(shí)鐘頻率及其雜散的虛假響應(yīng)

接收機(jī)的數(shù)字電路和模擬電路的時(shí)鐘情況分為2種：一種情況是數(shù)字電路和模擬電路共用時(shí)鐘(本文簡稱“同源”)；另一種情況是數(shù)字電路和模擬電路的時(shí)鐘各自獨(dú)立(本文簡稱“異源”)。在“異源”情況下，對數(shù)字電路的時(shí)鐘采取措施前后的某頻段寬帶接收機(jī)的輸出頻譜如圖4所示。從圖4可知，時(shí)鐘電路對接收機(jī)的虛假響應(yīng)主要體現(xiàn)在接收機(jī)的輸出頻譜雜散上，對噪聲基底的影響較小。

圖4　時(shí)鐘電路產(chǎn)生的虛假響應(yīng)比對

為了減小和避免時(shí)鐘頻率及其雜散對接收機(jī)產(chǎn)生的虛假響應(yīng)，針對“異源”和“同源”的差異，在設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)時(shí)應(yīng)采取以下措施：

① 在“異源”情況下，所有數(shù)字電路使用同一基準(zhǔn)時(shí)鐘；

② 在“異源”情況下，數(shù)字電路和模擬電路基準(zhǔn)時(shí)鐘不能同頻；

③ 在“異源”情況下，在滿足控制邏輯信號波形條件下盡量減小時(shí)鐘頻率的諧波分量；

④ 在“同源”情況下，模擬電路和數(shù)字電路的時(shí)鐘接口要采取放大隔離和濾波隔離措施；

⑤ 無論是“同源”還是“異源”情況，應(yīng)壓縮倍頻和分頻的時(shí)鐘頻率的種類；

⑥ 無論是“同源”還是“異源”情況，時(shí)鐘電路的布線采用地回路隔離。

3結(jié)束語

由于決定和影響射頻寬帶接收機(jī)的虛假響應(yīng)因素貫穿于接收機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)、功能電路的方案設(shè)計(jì)和工程實(shí)施等各個(gè)環(huán)節(jié)，本文結(jié)合接收機(jī)的功能電路對虛假響應(yīng)產(chǎn)生的原因進(jìn)行剖析，并給出了工程應(yīng)用中的解決措施，希望對射頻接收機(jī)研制工作具有一定參考價(jià)值。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.22

收稿日期：2016-04-04

中圖分類號TN850

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號1003-3106(2016)07-0084-05

作者簡介

漆家國男，(1972—)，碩士，高級工程師。主要研究方向：外彈道測量和電子偵察。

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：漆家國.基于寬帶射頻接收機(jī)功能電路的虛假響應(yīng)分析[J].無線電工程,2016,46(7):84-88.