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一、引言? 微波轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備由接收和轉(zhuǎn)發(fā)兩部分組成，接收與發(fā)射共用本振。隨著數(shù)字集成電路的迅速發(fā)展，本振電路多采用體積小、可靠性高的單片大規(guī)模集成數(shù)字頻率合成器，因此在接收信道中存在高電平干擾信號和數(shù)字干擾信號，數(shù)字干擾脈沖具有很寬的頻譜。當(dāng)這些干擾信號通過系統(tǒng)非線性作用時，干擾頻率有時恰好等于或接近有用信號的頻率。由于接收機是靈敏裝置，干擾對它的影響也比大多數(shù)基帶電路表現(xiàn)得敏感，當(dāng)這些干擾頻率進(jìn)入接收機通頻帶內(nèi)時，它們被放大和鑒頻、鑒相，其原理與處理有用信號相同，因此導(dǎo)致接收機性能惡化。為了降低和控制這種影響，接收信道應(yīng)具有下面的特性： （1）線性好、動態(tài)范圍大，在信道濾波之前，降低帶外干擾信號在信道帶寬內(nèi)產(chǎn)生的組合干擾、互調(diào)及交調(diào)分量，并保證接收信號在信道內(nèi)具有足夠的動態(tài)范圍； （2）降低本振的相位噪聲和雜散，以免將本振噪聲和雜散信號帶到接收機信道帶寬內(nèi)；（3）加強系統(tǒng)內(nèi)數(shù)字電路的濾波及合理的印制板布線、供電。? 接收信道部分通常是由低噪聲放大電路、濾波器、混頻器、增益控制電路等組成，它的線性、組合干擾、噪聲、放大器等性能直接影響后續(xù)電路的性能。? 二、接收機前端的組成 圖1給出了常用微波轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備射頻前端的組成，采用二次變頻的方案，它由預(yù)選器、高放、鏡頻濾波器、混頻器、濾波器、本振1、本振2、前中放大器等組成。 各部分電路的作用如下：? （1）預(yù)選器具有良好的單向性能和良好的反向隔離性，防止除接收頻率以外的干擾信號進(jìn)入和防止本振（或發(fā)射）信號通過接收天線泄漏；? （2）高放電路選擇低噪聲、高增益的集成放大器，目的是補償預(yù)選器的損耗、提高系統(tǒng)的信噪比、加強混頻器/本振電路與輸入端口之間的隔離；? （3）前中濾波器主要是實現(xiàn)鏡像抑制，在高放后必須有抑制，否則高放的噪聲系數(shù)會由于放大后的鏡像噪聲混頻進(jìn)入信道而成倍增加。前中頻率越高鏡像抑制濾波器的通頻帶越寬;? （4）前中放大器和二中放大器的作用為補償混頻器的損耗，提供給主中放以足夠電平，滿足AGC中放或截止限副中放的最低電平需求;? （5）二中濾波器實際上是一個低通濾波器，主要是抑制放大、混頻產(chǎn)生組合的干擾和雜波以及取出中頻信號。在混頻器選擇低端輸入，某些干擾信號可能在射頻信號的低端產(chǎn)生，特別是在數(shù)字本振電路中，低端的中頻干擾信號會泄漏到混頻器的輸入端，混頻器對中頻干擾相當(dāng)于一級放大器，能順利的通過后面的電路而形成干擾;? （6）一次變頻采用的是低噪聲、大動態(tài)、隔離度高的DMOS場效應(yīng)管集成的無源雙平衡混頻器。二次變頻采用的是無源雙平衡混頻器。 ? 三、混頻器及本振設(shè)計考慮? 接收信道是高增益工作，為了保證信道的穩(wěn)定及電路的易實現(xiàn)，需要進(jìn)行頻率變換，使接收機的放大、濾波、增益控制等在中頻進(jìn)行。混頻器是非線性器件，它的動態(tài)范圍、隔離度、變頻損耗等對系統(tǒng)的動態(tài)范圍、中頻提取、本振隔離、靈敏度等有著非常大的影響。 ? 接收信道的動態(tài)范圍，主要決定于前端電路的非線性器件即混頻器，混頻器的動態(tài)范圍通常用1 dB壓縮點來反映，高電平混頻器具有高的1 dB壓縮點和高的三階交叉點，三階交叉點對通頻帶內(nèi)有多個干擾信號同時作用時特別重要。因此選擇合適的混頻器是很重要的。混頻器分為有源混頻器和無源混頻器，有源混頻器對本振的要求較低，且隔離度高，但其噪聲性能、動態(tài)范圍不如無源混頻器，無源混頻器比有源混頻器有更好的互調(diào)失真性。現(xiàn)在采用高電平的雙平衡混頻器，由于信號功率平均分配到4只管子上，每只管子上的信號小，故非線性失真小，而且能抑制偶次諧波產(chǎn)生的寄生響應(yīng)，還可以抑制本振噪聲。 ? 在混頻器中本振應(yīng)該是純凈頻譜，它的寬帶相位噪聲、雜散都會影響接收機的靈敏度。數(shù)字頻率合成器的本振電路中有數(shù)字分頻、數(shù)字鑒相器等電路，當(dāng)數(shù)字電路為高頻跳變的電流作用時，都會產(chǎn)生一些新增頻率成分即雜散，其頻譜相當(dāng)寬，在它們具有共同電源和地線或共用一塊印制板時，這些頻率成份會調(diào)相、調(diào)頻振蕩器，調(diào)相、調(diào)頻信號和接近有用信號頻率的雜散信號，通過混頻器進(jìn)入接收信道產(chǎn)生干擾，而且有時還會通過饋電線、空間輻射、印制板耦合等進(jìn)入接收通道，所以為了盡可能保持頻譜的純凈以防止接收信道的干擾信號產(chǎn)生，在實際數(shù)字集成電路的每一級電源都應(yīng)有0.1 μF或0.01 μF的電容跨接到地。由于每一級都有去耦電容，隨時都在沖放電，所以在印制板上電源的入口處應(yīng)接一大電容。在電源上也可采用數(shù)模電路分開供電，振蕩電路一定要有很好的接地及屏蔽或把數(shù)字電路部分屏蔽，必要時在本振輸出端加一個帶通濾波器，使本振輸出雜波盡可能小。 ? 四、信道中的干擾信號? 在由數(shù)模混合電路組成的微波轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備中，數(shù)字電路的寬頻譜干擾或本振強信號干擾一定要加以控制或抑制，這些輻射可能壓抑小信號，對這些干擾的抑制能力決定了接收機性能。? 干擾信號影響接收機正常工作主要有2種形式，一種是與信號同頻的窄帶干擾信號，使接收信道堵塞；二是接收機頻帶內(nèi)的各種雜散干擾或帶外強信號，通過信道的非線性產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重影響接收的性能。? 幾種常見的非線性失真中同時存在一個或幾個頻率不同于有用信號頻率的干擾信號時，系統(tǒng)可能產(chǎn)生的組合干擾形式為：信號與本振的組合頻率；外來干擾和本振組合形成的干擾；交叉調(diào)制干擾和互調(diào)干擾。? 混頻器可等效為一個非線性電阻網(wǎng)絡(luò)，其電流ｉ可用加到其兩端電壓的冪級數(shù)表示： 將(2)式 代入(1)式，并進(jìn)行指數(shù)運算得出頻譜特性即為混頻器雜散效應(yīng)圖，在計算干擾信號時可由混頻器雜散效應(yīng)圖直接找出信道中是否有干擾頻率存在。在雙平衡器中除了L1±R2（或R2±L1）有相等的輸出外，四階3L1±R2也有較大的輸出振幅，設(shè)計中要特別加以注意是否有此干擾信號落在接收信道，當(dāng)干擾信號為強信號時，會使信道飽和，增益壓縮，信雜比下降。 ? 當(dāng)信道中有2個以上干擾頻率或一個調(diào)幅干擾和一個單邊帶調(diào)制信號時，它們干擾為互調(diào)干擾和交叉調(diào)制干擾，在分析中由于接收機的輸入信號很小，略去三階以上的分量，其輸出信號和輸入信號的關(guān)系可表示為 
式中V0(t)是系統(tǒng)的輸出信號；? Vi(t)是輸入信號；? a1是線性增益；a2和a3是二階和三階非線性系數(shù)。? 假定輸入信號含有兩個干擾信號和一個有用信號，即
式中V1、V2、Vs分別代表兩個干擾信號和一個有用信號的幅度，ω1、ω2、ωs分別代表各自的角頻率。將(4)式代入(3)式后可得 三階交調(diào)產(chǎn)物實際上是有用信號被調(diào)幅干擾信號的調(diào)制信號調(diào)幅，它的譜線特點是對稱地、等幅地分布在ωs的兩邊。當(dāng)ω1-ω2或ω2-ω1這個頻差不大于接收機同頻帶的一半時，將使有用信號形成調(diào)幅失真，一旦產(chǎn)生此干擾，它會伴隨有用信號一直存在。 ? 三階互調(diào)產(chǎn)物的頻率恰等于有用信號頻率ωs＝2ω1－ω2或2ω2－ω1時，形成虛假信號，造成干擾(實際上只要2ω1-ω2-ωs落在通頻帶內(nèi)即會造成干擾)。 ? 干擾互調(diào)抑制度和干擾交調(diào)抑制度這兩個參數(shù)，是對多個干擾信號同時作用時或接收多路信號時系統(tǒng)產(chǎn)生的非線性失真大小的衡量。 ? 系統(tǒng)的非線性是固有存在的，信號通過信道會發(fā)生某種程度的畸變，不管產(chǎn)生的干擾信號落在通帶以外或落在通帶以內(nèi)，當(dāng)其能量小于最小可鑒相信號或解調(diào)信號時，就不會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，該系統(tǒng)仍為線形系統(tǒng)。在設(shè)計中盡量避開或抑制干擾，使系統(tǒng)成為線性系統(tǒng)。? 五、接收信道的噪聲設(shè)計考慮? 噪聲系數(shù)的大小決定了接收機靈敏度的性能，因此系統(tǒng)中放大器、混頻器、本振、濾波器的噪聲應(yīng)盡可能地小。? 對于無源、有損耗的器件，如濾波器或某些混頻器，噪聲系數(shù)由下式給出：
其中NF是器件的噪聲系數(shù)，Lc是器件的變頻損耗，F(xiàn)IF為前置放大器噪聲因子，T為器件噪聲溫度比。? 有資料給出器件的T值大約為1左右，因此 式中KPm為器件增益。 ? 由（8）可知，要降低噪聲系數(shù)的關(guān)鍵是第一級，不僅要求它的噪聲系數(shù)小，而且還希望在電路穩(wěn)定的情況下增益盡可能地大。因此在設(shè)計第一級放大器時，要選用低噪聲器件，使放大器有高的功率增益，但系統(tǒng)中互調(diào)分量隨輸入信號的幅度而加大，故互調(diào)最大發(fā)生在后面級，因此噪聲系數(shù)的選擇必須兼顧兩者，使系統(tǒng)的噪聲系數(shù)滿足要求即可。 ? 六、放大器的設(shè)計考慮? 在接收機中射頻放大器放大微弱信號，在設(shè)計中應(yīng)從增益、穩(wěn)定性、選擇性、噪聲系數(shù)等方面來考慮：? （1）射頻放大器要有足夠的功率增益、動態(tài)范圍，才不致因信號飽和而使系統(tǒng)產(chǎn)生非線性失真； ? （2）在考慮信道增益的同時要考慮放大器的穩(wěn)定性，合理地分配電路增益，為防止電路自激采取必要的工藝措施；? （3）系統(tǒng)存在雜散干擾信號和噪聲，因此放大器必須要有選擇性，混頻后接濾波器，以減小干擾和噪聲； ? （4）射頻放大器是由多級組成的，由前面分析可知，降低噪聲系數(shù)的關(guān)鍵是第一級放大器，第一級必須采用低噪聲器件；? （5）增益控制電路一般連接在接收信道未端，這樣插入損耗小、系統(tǒng)穩(wěn)定、容易實現(xiàn)。 七、結(jié)束語? 微波器件的發(fā)展以及微波電路的微組裝技術(shù)的提高，為設(shè)計、生產(chǎn)高穩(wěn)定微波轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的接收機打下了良好的基礎(chǔ)。通過綜合設(shè)計，將會進(jìn)一步提高設(shè)備的性能。希望本文的介紹能對從事工程設(shè)備前端設(shè)計的人員提供一些有益的參考。 |
