無線通信論文L波段超外差接收機的設計
摘要：介紹了一種L波段超外差接收機的設計與實現(xiàn)方法。該超外差接收機有四個通道，每個通道將天線接收到的微弱射頻信號進行下變頻，得到中頻信號。通過增加Pi型衰減網絡和相移網絡使各個通道的幅度和相位一致。經過測量所做實物表明：有很好的幅相一致性；能夠在-64dBm的干擾下接收-120dBm信號；能夠接收兩種衛(wèi)星系統(tǒng)的信號。
關鍵詞：接收機,L波段,幅相一致性,噪聲系數
接收機是無線通信系統(tǒng)必不可少的組成部分，它的性能直接影響整個系統(tǒng)的性能。接收機的主要作用有以下兩個方面：
�。�1）對天線接收到的微弱射頻信號進行低噪聲放大，以滿足所需電平要求；
�。�2）對接收的射頻信號進行頻譜搬移，下變頻到中頻，以供后級的數字電路進行基帶處理。超外差接收機出現(xiàn)的比較早，技術成熟，通過合理選擇中頻頻率、濾波器、低噪聲放大器以及混頻器等，可以獲得很好的性能。
1.2靈敏度
靈敏度是指在給定接收機所要求的最低輸出信噪比的條件下，接收機能夠正常工作所需的最小輸入電平[2]。由噪聲系數的定義可以推導出靈敏度的計算公式。
S=-174dBm/Hz+10logBW+NF+SNRo，min（3）
由此可見，靈敏度與所要求的輸出信噪比、接收機的噪聲系數以及檢波前的中頻帶寬有關。
接收機的動態(tài)范圍是保證接收機正常工作的輸入信號的功率范圍，其最大值是系統(tǒng)最大可接受的信號失真時的輸入信號功率，最小值是靈敏度。因此，提高靈敏度可以增加接收機的動態(tài)范圍。
1.3鏡像問題
鏡像頻率是指射頻信號關于本振頻率對稱的一個頻率�？赏ㄟ^式（4）來確定。
fIM=2fLO-fRF（4）
鏡像頻率是超外差接收機固有的干擾，是一個嚴重的問題[3]，因為鏡像頻率與所需的射頻頻率經過下變頻后都會得到中頻。鏡像頻率的存在會增加噪聲系數。抑制鏡像頻率涉及到本振頻率與中頻頻率的選擇。高中頻利于鏡像頻率的抑制，但不利于近載波干擾信號的濾除；低中頻利于近載波干擾信號的濾除，但不利于鏡像頻率的抑制。因此抑制鏡像頻率的方法有（1）增加鏡像抑制濾波器的選擇性，（2）提高中頻頻率，使鏡像頻率遠離有用信號。在實際設計中要根據對鏡像頻率的抑制度以及制作濾波器的難易程度來進行折中考慮。
2超外差接收機方案框圖
本文設計的超外差接收機由四個相同的接收通道構成，其方案框圖如圖1所示。每個通道由天線、帶通濾波器（BPF1，BPF2）、低噪聲放大器（LNA1，LNA2）、混頻器以及中頻放大器等組成。
天線接收到的微弱射頻信號經過BPF1，BPF1起頻帶選擇的作用，用于濾除鏡像頻率與其他的一些帶外干擾。LNA1和LNA2用于低噪聲放大，使射頻信號達到混頻所需要的功率。本振是由一個頻率綜合器經過功分以后得到的，這樣是為了保證進入每個接收通道的本振信號幅度和相位的一致性�；祛l存在著變頻損耗，因此要用中頻放大器。BPF2起信道選擇的作用，用于濾除中頻附近的近載波干擾。最后將四路中頻信號送給后級數字電路處理。
3PCB板材與器件的選擇
PCB板材選擇的是ROGERS的RO4003C。該板的介電常數為3.38，損耗角正切為0.0027，厚度為0.508mm。薄的PCB板可以減小電路尺寸。
BPF1是頻帶選擇濾波器，中心頻率為1568MHz，-1dB帶寬不小于40MHz，中心頻率的插入損耗小于等于1.0dB，對鏡像頻率的抑制大于等于45dBc。
低噪聲放大器的選擇很關鍵。所選的芯片為PMA2-162LN+，其增益為18.8dB，噪聲系數為0.8dB；μPC8215的增益為27dB，噪聲系數為1.3dB。由式（1）來核算不同組合的噪聲系數可知，當LNA1選PMA2-162LN+，LNA2選μPC8215時，噪聲系數小些。
混頻器選的是Hittite公司的HMC422MS8，該混頻器+3V供電，變頻損耗8dB，噪聲系數8dB，IIP3為15dBm，本振功率為0dBm，本振到射頻的隔離度約為30dB。
為了彌補變頻損耗，在下變頻有中頻放大，選用的芯片是ERA-50SM。增益約為19dB，噪聲系數3.5dB，1dB壓縮點約為17dBm，供電電壓4.4V，電流60mA。
BPF2是信道選擇濾波器，中心頻率為150MHz，-1dB帶寬不小于40MHz，中心頻率的插入損耗小于等于1.5dB。
4EMC的考慮
要使一個系統(tǒng)有好的性能，EMC是很重要的。本設計從以下各方面進行了EMC的考慮。
為了匹配良好，畫PCB版圖時的信號線為50Ω，寬度經ADS計算為1.05mm。電源通過穿心電容接入，這樣可以防止外部的干擾信號進入電路。射頻信號盡量走的是直線。在畫接地的焊盤時為保證接地良好，應盡量使過孔靠近焊盤。鋪地很重要，在PCB板上的空余地方要鋪上地。鋪地與信號線之間的距離要大于兩倍的PCB板的厚度，即大于1.016mm。鋪地邊沿均勻的打上過孔，過孔的間距小于λg（λg為該系統(tǒng)的最大頻率對應的在介質中的波長），鋪地的中間隨機的打上過孔。這樣既有很好的電磁兼容特性，又增加了PCB板的機械強度。
為了防止強的本振信號泄露到射頻端，在兩者之間加了一個可拆卸的隔條，如圖2所示。通過在隔條焊接的玻珠將射頻信號加到混頻器。該種方法有效的增加了本振與射頻之間的隔離，并且可以方便的換取損壞的玻珠。
為了避免四個通道之間的相互串擾，各通道采用分腔設計。每個通道有獨立的腔體，既便于調試，只需單獨的對每一個進行調試，又有很好的隔離效果。射頻接收前端、數字信號處理以及供電板都是分腔體設計的，放置于不同的層中。
6結束語
本文設計并制作的L波段超外差接收機的實物如圖7所示。
通過對所做實物的測量得到如下數據。四個通道的幅度一致性優(yōu)于±0.5dB。按照圖6所示，測得相位一致性優(yōu)于5°。根據式（1）理論上計算的噪聲系數為1.82dB，用頻譜分析儀測量輸出的噪聲功率譜密度后，由式（2）計算出噪聲系數為2.5dB。這與理論計算有一定的誤差，可能是由于電路的焊接不好增加了噪聲或者測量的誤差造成的。能夠接收-120dBm的弱信號，通過自適應調零后具有抗干擾能力，在-64dBm的干擾下也能正常工作。并且，該接收機能過接收并處理兩種衛(wèi)星系統(tǒng)的信號。
參考文獻
[1]Maxim設計指南，噪聲系數測量的三種方法2004，6，2.
[2]梁東敏，C波段衛(wèi)星通信室外單元收發(fā)模塊的研制.電子科技大學碩士學位論文2010.
[3]BehzadRazavi，射頻微電子清華大學出版社，2006.
[4]王建輝，雷達頻綜模塊和中頻接收模塊的設計與實現(xiàn)電子科技大學碩士學位論文2010.
