L波段超外差接收机的设计与实现

摘 要： 介绍了一种L波段超外差接收机的设计与实现方法。该超外差接收机有四个通道，每个通道将天线接收到的微弱射频信号进行下变频，得到中频信号。通过增加Pi型衰减网络和相移网络使各个通道的幅度和相位一致。经过测量所做实物表明：有很好的幅相一致性；能够在-64 dBm的干扰下接收-120 dBm信号；能够接收两种卫星系统的信号。

关键词：接收机；L波段；幅相一致性；噪声系数

接收机是无线通信系统必不可少的组成部分，它的性能直接影响整个系统的性能。接收机的主要作用有以下两个方面：

（1）对天线接收到的微弱射频信号进行低噪声放大，以满足所需电平要求；

（2）对接收的射频信号进行频谱搬移，下变频到中频，以供后级的数字电路进行基带处理。超外差接收机出现的比较早，技术成熟，通过合理选择中频频率、滤波器、低噪声放大器以及混频器等，可以获得很好的性能。

1.2 灵敏度

灵敏度是指在给定接收机所要求的最低输出信噪比的条件下，接收机能够正常工作所需的最小输入电平[2]。由噪声系数的定义可以推导出灵敏度的计算公式。

S=-174 dBm/Hz+10 logBW+NF+SNRo，min（3）

由此可见，灵敏度与所要求的输出信噪比、接收机的噪声系数以及检波前的中频带宽有关。

接收机的动态范围是保证接收机正常工作的输入信号的功率范围，其最大值是系统最大可接受的信号失真时的输入信号功率，最小值是灵敏度。因此，提高灵敏度可以增加接收机的动态范围。

1.3 镜像问题

镜像频率是指射频信号关于本振频率对称的一个频率。可通过式（4）来确定。

fIM=2fLO-fRF（4）

镜像频率是超外差接收机固有的干扰，是一个严重的问题[3]，因为镜像频率与所需的射频频率经过下变频后都会得到中频。镜像频率的存在会增加噪声系数。抑制镜像频率涉及到本振频率与中频频率的选择。高中频利于镜像频率的抑制，但不利于近载波干扰信号的滤除；低中频利于近载波干扰信号的滤除，但不利于镜像频率的抑制。因此抑制镜像频率的方法有（1）增加镜像抑制滤波器的选择性，（2）提高中频频率，使镜像频率远离有用信号。在实际设计中要根据对镜像频率的抑制度以及制作滤波器的难易程度来进行折中考虑。

2 超外差接收机方案框图

本文设计的超外差接收机由四个相同的接收通道构成，其方案框图如图1所示。每个通道由天线、带通滤波器（BPF1，BPF2）、低噪声放大器（LNA1，LNA2）、混频器以及中频放大器等组成。

天线接收到的微弱射频信号经过BPF1，BPF1起频带选择的作用，用于滤除镜像频率与其他的一些带外干扰。LNA1和LNA2用于低噪声放大，使射频信号达到混频所需要的功率。本振是由一个频率综合器经过功分以后得到的，这样是为了保证进入每个接收通道的本振信号幅度和相位的一致性。混频存在着变频损耗，因此要用中频放大器。BPF2起信道选择的作用，用于滤除中频附近的近载波干扰。最后将四路中频信号送给后级数字电路处理。

3 PCB板材与器件的选择

PCB板材选择的是ROGERS的RO4003C。该板的介电常数为3.38，损耗角正切为0.0027，厚度为0.508 mm。薄的PCB板可以减小电路尺寸。

BPF1是频带选择滤波器，中心频率为1568 MHz，-1 dB带宽不小于40 MHz，中心频率的插入损耗小于等于1.0 dB，对镜像频率的抑制大于等于45 dBc。

低噪声放大器的选择很关键。所选的芯片为PMA2-162LN+，其增益为18.8 dB，噪声系数为0.8 dB；μPC8215的增益为27 dB，噪声系数为1.3 dB。由式（1）来核算不同组合的噪声系数可知，当LNA1选PMA2-162LN+，LNA2选μPC8215时，噪声系数小些。

混频器选的是Hittite公司的HMC422MS8，该混频器+3 V供电，变频损耗8 dB，噪声系数8 dB，IIP3为15 dBm，本振功率为0 dBm，本振到射频的隔离度约为30 dB。

为了弥补变频损耗，在下变频有中频放大，选用的芯片是ERA-50SM。增益约为19 dB，噪声系数3.5 dB，1 dB压缩点约为17 dBm，供电电压4.4 V，电流60 mA。

BPF2是信道选择滤波器，中心频率为150 MHz，-1 dB带宽不小于40 MHz，中心频率的插入损耗小于等于1.5 dB。

4 EMC的考虑

要使一个系统有好的性能，EMC是很重要的。本设计从以下各方面进行了EMC的考虑。

为了匹配良好，画PCB版图时的信号线为50 Ω，宽度经ADS计算为1.05 mm。电源通过穿心电容接入，这样可以防止外部的干扰信号进入电路。射频信号尽量走的是直线。在画接地的焊盘时为保证接地良好，应尽量使过孔靠近焊盘。铺地很重要，在PCB板上的空余地方要铺上地。铺地与信号线之间的距离要大于两倍的PCB板的厚度，即大于1.016 mm。铺地边沿均匀的打上过孔，过孔的间距小于λg（λg为该系统的最大频率对应的在介质中的波长），铺地的中间随机的打上过孔。这样既有很好的电磁兼容特性，又增加了PCB板的机械强度。

为了防止强的本振信号泄露到射频端，在两者之间加了一个可拆卸的隔条，如图2所示。通过在隔条焊接的玻珠将射频信号加到混频器。该种方法有效的增加了本振与射频之间的隔离，并且可以方便的换取损坏的玻珠。

为了避免四个通道之间的相互串扰，各通道采用分腔设计。每个通道有独立的腔体，既便于调试，只需单独的对每一个进行调试，又有很好的隔离效果。射频接收前端、数字信号处理以及供电板都是分腔体设计的，放置于不同的层中。

6 结束语

本文设计并制作的L波段超外差接收机的实物如图7所示。

通过对所做实物的测量得到如下数据。四个通道的幅度一致性优于±0.5 dB。按照图6所示，测得相位一致性优于5°。根据式（1）理论上计算的噪声系数为1.82 dB，用频谱分析仪测量输出的噪声功率谱密度后，由式（2）计算出噪声系数为2.5 dB。这与理论计算有一定的误差，可能是由于电路的焊接不好增加了噪声或者测量的误差造成的。能够接收-120 dBm的弱信号，通过自适应调零后具有抗干扰能力，在-64 dBm的干扰下也能正常工作。并且，该接收机能过接收并处理两种卫星系统的信号。

参考文献

[1] Maxim设计指南，噪声系数测量的三种方法 2004，6，2.

[2] 梁东敏，C波段卫星通信室外单元收发模块的研制. 电子科技大学硕士学位论文 2010.

[3] Behzad Razavi，射频微电子 清华大学出版社，2006.

[4] 王建辉，雷达频综模块和中频接收模块的设计与实现 电子科技大学硕士学位论文 2010.

作者简介

杨 涛（1970-）男，重庆人，教授，博导，主要研究领域为微波/毫米波集成电路与系统。

杨自强（1981-）男，四川成都人，副教授，主要研究领域为微波/毫米波集成电路与系统。

廖奎旭（1985-）男，四川达州人，研究生，主要研究领域为微波/毫米波集成电路与系统。