一種小型化大動態(tài)范圍的接收機信道設(shè)計與測試

卿 晨

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，無線通信系統(tǒng)中所使用的設(shè)備，尤其是接收機的要求越來越高，小型化、高集成度、高靈敏度和高線性度的接收機成為了目前研究的熱點，也是未來發(fā)展的趨勢[1-3]。由于現(xiàn)實環(huán)境中充斥著復(fù)雜的電磁環(huán)境和不同類型的干擾信號，在提高接收機靈敏度的同時，也要求接收機自身具備較強的抗干擾能力[4-6]。此外，單個接收機也需要針對多個有用的信號進行接收和處理，而在接收機工作帶內(nèi)的多個有用信號也可能會產(chǎn)生互調(diào)信號，當(dāng)互調(diào)信號大于靈敏度時，就會對接收機產(chǎn)生干擾。接收機的三階交調(diào)指標(biāo)就是衡量接收機在接收處理工作帶內(nèi)多個信號時的抗干擾能力。因此，為保證接收機具有良好的線性度，特別是良好的三階交調(diào)抑制，基于各種方法設(shè)計的高線性度射頻前端、各類器件被廣泛研究并應(yīng)用[7-13]，采用的無線通信系統(tǒng)中也采取了各種措施來避免三階交調(diào)[14-16]。上述文獻分別對器件、功能電路、接收機和系統(tǒng)的三階交調(diào)進行了分析，并采取各類方法提高三階交調(diào)指標(biāo)，不過在器件選型和影響三階交調(diào)的關(guān)鍵電路的調(diào)試上還有待改善，且小型化程度不高。本文通過理論推導(dǎo)、計算仿真、合理的增益分配和恰當(dāng)?shù)脑骷x型設(shè)計了一種大動態(tài)范圍高靈敏度的接收機信道模塊，輸出三階截斷點超過 45 dBm，噪聲系數(shù)優(yōu)于 7 dB，采用MCM技術(shù)實現(xiàn)了接收機硬件的小型化，對影響三階交調(diào)的關(guān)鍵電路進行調(diào)試，最后借鑒并改進了一種三階交調(diào)的測試方法，實測結(jié)果充分驗證了所采取的設(shè)計方案。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

本接收機采用的是超外差的電路架構(gòu)，該類型接收機抗干擾性好，信號選擇性強，也能保證接收機較高的靈敏度、線性度和可靠性。

接收機信道射頻電路原理框圖如圖1所示，采用兩次變頻的超外差電路架構(gòu)。射頻輸入L頻段信號經(jīng)限幅、預(yù)選濾波、數(shù)控衰減器和第一級低噪聲放大后，分三段預(yù)選濾波，經(jīng)過低噪聲放大和低通濾波后，對信號增益進行控制，然后進行第一次混頻。第一次混頻后得到一中頻，經(jīng)過帶通濾波和放大后，進行第二次混頻。第二次混頻后，得到二中頻，分四段經(jīng)過中頻濾波后，得到要求帶寬的中頻信號，最后進行放大輸出。

圖1 接收信道原理框圖

2 指標(biāo)分析設(shè)計仿真

2.1 接收機靈敏度與動態(tài)范圍

接收機靈敏度Prmin由式(1)計算得到[17]：

在本設(shè)計方案中，B為信號處理帶寬1 kHz，輸出信噪比SNR為10 dB，要求靈敏度 Prmin小于-125 dBm，計算得到噪聲系數(shù)NF小于9 dB。

接收機線性動態(tài)范圍DRl由式(2)計算得到[17]：

在本設(shè)計方案中要求線性動態(tài)范圍DRl大于85 dB(即輸入信道電平范圍為-125 dBm～-40 dBm)，得到輸入1 dB壓縮點IP-1dB大于-40 dBm。

接收機雙音(無雜散)動態(tài)范圍DRf由式(3)計算得到[17]：

在本設(shè)計方案中，要求雙音(無雜散)動態(tài)范圍DRf大于80 dB，計算得到輸入三階截斷點IIP3大于-5 dBm。

為使信號經(jīng)過接收機后達(dá)到AD的采樣電平(-60 dBm～+10 dBm)，增益 G設(shè)計值為50 dB。由式(4)計算得到本方案輸出1 dB壓縮點P-1dB大于10 dBm。由式(5)計算得到本方案輸出三階截斷點OIP3大于45 dBm。

2.2 接收機增益分配

接收機的增益分配見表1。接收機最小接收信號電平為-125 dBm，動態(tài)范圍85 dB，增益為 50 dB，在最大-40 dBm輸入信號激勵下，鏈路中放大器、濾波器與器件自身P-1dB相比都有8 dB以上余量，整個鏈路處于線性放大狀態(tài)。

設(shè)計中采用放大器與濾波器交替排布的形式逐步對信號的進行放大，在保證信道線性度的同時可有效防止鏈路自激。

表1 接收機增益分配表

2.3 接收機指標(biāo)仿真

接收機噪聲系數(shù) NF由式(6)計算得到[18]，輸出三階截斷點 OIP3由式(7)計算得[18]。

式中，NF1、Gn和 OIP3.n分別為電路中各級器件的噪聲系數(shù)、增益和輸出三階截斷點。

通過Cascade軟件對信道最小信號輸入情況下的增益 G及噪聲系數(shù) NF、輸出 1 dB壓縮點 P-1dB、輸出三階截斷點OIP3指標(biāo)進行仿真，結(jié)果如圖2所示，仿真結(jié)果與上面計算結(jié)果一致。本接收機設(shè)計仿真結(jié)果為：增益G=50 dB，噪聲系數(shù) NF=7.02 dB，P-1dB=18.59 dBm，OIP3=46.59 dBm。

3 調(diào)試與測試

3.1 版圖設(shè)計

為滿足小型化和高集成度的要求，本接收機的信道射頻部分采用了MCM技術(shù)和微組裝工藝實現(xiàn)方案，最終結(jié)構(gòu)尺寸為150×79×10 mm3。射頻部分、變頻部分、中頻部分采用分腔設(shè)計，在空間上避免不同頻率之間組合產(chǎn)生干擾信號，避免經(jīng)放大后的后級大信號反饋到前級發(fā)生自激，同時滿足不同信道輸入輸出之間隔離度的要求。

射頻信道與電源和控制板分布于模塊正反兩面，電源和控制信號通過低頻絕緣子提供給射頻信道。射頻信道選用材料為RT/duroid 5880的單層基片，電源與控制板選用材料為FR-4的6層PCB板。

3.2 指標(biāo)調(diào)試

信道的噪聲系數(shù)主要由低噪聲放大器LNA之前的器件損耗、LNA自身的增益和噪聲系數(shù)決定。可靠的裝配工藝使得LNA及之前的器件的損耗、增益和噪聲系數(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計值，以使整個信道的噪聲系數(shù)達(dá)到設(shè)計值。為使信道噪聲系數(shù)保留可調(diào)試余量，在LNA和一混之前設(shè)計有固定衰減，可減小此衰減進而改善噪聲系數(shù)。

信道的輸出三階截斷點OIP3主要由末兩級放大器的OIP3決定。不過，對于實際的信道鏈路，信道的線性度指標(biāo)主要被混頻器限制，因為放大器的線性度指標(biāo)可以做高，而混頻器的線性度指標(biāo)較為局限，盡管混頻器在整個鏈路中對OIP3的影響不如末兩級放大器。圖3為本設(shè)計選用的放大器的OIP3隨頻率變化圖，圖4為本設(shè)計選用的混頻器OIP3在本振功率為19 dBm時隨頻率的變化圖。由圖可見，在此設(shè)計中，放大器的OIP3最佳值在49 dBm左右，混頻器的OIP3最佳值在25 dBm左右。

在調(diào)試過程中，首先保證本振功率達(dá)到混頻器的要求電平+19 dBm，否則本振功率較低將導(dǎo)致混頻器插損變大，OIP3變差。然后，適當(dāng)調(diào)整信道的固定衰減分配，在保證噪聲系數(shù)的情況下，盡量將固定衰減放在一混頻器或二混頻器前，優(yōu)先保證混頻器的線性度。最后，調(diào)整末兩級放大器的饋電電感L1，如圖5所示。器件手冊推薦工作頻率在20 MHz～1 000 MHz時，L1選用 470 nH，但實際調(diào)試OIP3時，L1選用680 nH效果最佳。

圖2 接收仿真結(jié)果

圖3 末級放大器的OIP3隨頻率變化圖

圖4 混頻器的輸入IP3隨頻率變化圖

圖5 末級放大器推薦電路圖

3.3 指標(biāo)測試

式中，a1和 a3分別為基波和三階交調(diào)分量的系數(shù)，V0為輸出電壓。

由于-90 dBm的三階產(chǎn)物電平太小，可能小于兩個信號源之間的三階交調(diào)產(chǎn)物，也可能接近頻譜儀的接收靈敏度，而導(dǎo)致實測結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，在選擇和設(shè)置測試儀器時，需要減小測試儀器對測試準(zhǔn)確度的影響。增加信號源間的隔離度，減小信號的輸入功率，可以提高三階交調(diào)測試的準(zhǔn)確度[19]。本方案的測試框圖如圖6所示，在功分器兩個輸入端各增加10 dB的固定衰減，不僅提高了信號源之間的隔離度，還減小了信道的輸入功率。通過設(shè)置頻譜儀機械衰減器衰減值，改變頻譜儀的靈敏度，可以準(zhǔn)確測試到小于-90 dBm的三階產(chǎn)物，測試結(jié)果如圖7所示。

圖6 OIP3測試框圖

圖7 三階產(chǎn)物測試結(jié)果

不同工作頻率，接收機的噪聲系數(shù)和三階截斷點測試結(jié)果如表2和表3所示。

4 結(jié)論

本接收機信道設(shè)計采用兩次變頻的超外差電路架構(gòu)，從接收機的兩個關(guān)鍵指標(biāo)動態(tài)范圍和靈敏度入手，分析并設(shè)計了信道的增益、噪聲系數(shù)、三階截斷點指標(biāo)，選型合適的元器件對鏈路指標(biāo)進行了仿真。采用MCM技術(shù)實現(xiàn)信道硬件設(shè)計，準(zhǔn)確定位并調(diào)試了影響指標(biāo)的關(guān)鍵點，制定了改進的測試方案，實測結(jié)果噪聲系數(shù)達(dá)到7 dB，輸出三階截斷點達(dá)到46.5 dBm。測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，表明此設(shè)計方案是準(zhǔn)確可行的。與參考文獻涉及的接收機指標(biāo)相比，本文三階截斷點指標(biāo)提高超過5 dB，雙音動態(tài)范圍提高超過20 dB，且采取 MCM技術(shù)和微組裝工藝，小型化程度更高，對小型化大動態(tài)范圍接收機的設(shè)計有支撐和借鑒意義。

表2 接收機噪聲系數(shù)測試結(jié)果

表3 接收機三階截斷點測試結(jié)果