錢夢(mèng)園 楊國斌 張?jiān)r(nóng) 姜春華

摘 ?要： 針對(duì)甚高頻天線陣信號(hào)的同時(shí)接收中存在信噪比差異過大以及信號(hào)質(zhì)量不好等問題，設(shè)計(jì)一種通道差異小、噪聲低、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大的多通道甚高頻超外差式接收機(jī)。該設(shè)計(jì)采用高靈敏度和大動(dòng)態(tài)范圍的超外差式接收機(jī)結(jié)構(gòu)，前級(jí)放大器采用低噪聲、高增益的放大器來降低整個(gè)接收機(jī)的噪聲系數(shù)，并選擇合理的預(yù)選濾波器和中頻濾波器抑制鏡像頻率的干擾，鏈路中還采用匹配網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)通道增益，使各個(gè)通道間的增益差異在合理的范圍內(nèi)，中頻放大器選擇合理的1 dB壓縮點(diǎn)放大器以保證接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍足夠大。該設(shè)計(jì)在經(jīng)過測試后，各項(xiàng)接收指標(biāo)均滿足要求，可廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞： 超外差接收機(jī); 甚高頻天線; 濾波器選擇; 前級(jí)放大器; 通道增益調(diào)節(jié); 匹配網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)： TN851.4?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）09?0001?04

Design of multi?channel VHF superheterodyne receiver

QIAN Mengyuan， YANG Guobin， ZHANG Yuannong， JIANG Chunhua

（School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430072， China）

Abstract： Since the simultaneous reception of VHF antenna array signals has the problems of unsuitable signal?to?noise ratio and poor signal quality， a multi?channel VHF superheterodyne receiver with small channel difference， low noise， high sensitivity and wide dynamic range is designed. The superheterodyne receiver structure with high sensitivity and wide dynamic range is adopted in the design. The low?noise high?gain amplifier is used as the preamplifier to reduce the noise coefficient of the entire receiver， and the reasonable preselection filter and intermediate frequency （IF） filter are selected to suppress the interference of the image frequency. The matching network is used in the link to adjust the channel gain to make the gain difference among all the channels within the reasonable range. A reasonable 1 dB compression point amplifier is selected as the IF amplifier to ensure the enough dynamic range of the receiver. The test results show that the receiving indicators of the receiver can meet the requirements， and the receiver can be widely used in radar and communication fields.

Keywords： superheterodyne receiver; VHF antenna; filter selection; preamplifier; channel gain adjustment; matching network

0 ?引 ?言

接收機(jī)是雷達(dá)、通信系統(tǒng)中的“傳感器”，是提取外界有用的信息并傳輸給系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊。如果接收機(jī)設(shè)計(jì)的不好，系統(tǒng)就無法獲得有效、實(shí)時(shí)的外界信息，因此設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好的接收機(jī)可以極大地提高系統(tǒng)的探測能力。在多通道甚高頻雷達(dá)系統(tǒng)中，由于其探測的范圍廣，天線陣多，一般的接收機(jī)會(huì)出現(xiàn)射頻（RF）輸入信號(hào)少、中頻（IF）輸出信號(hào)質(zhì)量差、通道之間的信號(hào)差異大等問題而給后續(xù)的信號(hào)處理帶來困難。本文主要針對(duì)這些問題進(jìn)行分析并設(shè)計(jì)出合理的多通道甚高頻接收機(jī)。

常見的接收機(jī)類型有超外差接收機(jī)、直接下變頻接收機(jī)、鏡像抑制接收機(jī)、數(shù)字零中頻接收機(jī)、直接數(shù)字式接收機(jī)。本文接收機(jī)的設(shè)計(jì)架構(gòu)選擇為超外差接收機(jī)，它具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、增益高、穩(wěn)定性強(qiáng)、中頻頻率低等特點(diǎn)，可以非常好地滿足本文的設(shè)計(jì)需求。

超外差式接收機(jī)的框圖如圖1所示，其主要功能是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行前置濾波、前級(jí)放大、混頻、中頻濾波、中頻放大，得到中頻信號(hào)并傳送至系統(tǒng)后面的信號(hào)處理模塊。前置濾波器的作用是濾除帶寬外的信號(hào)并抑制鏡像頻率信號(hào)，中頻濾波器決定超外差接收機(jī)的中頻以及接收帶寬，通過兩級(jí)濾波以及分頻段放大可以提高輸出信號(hào)的穩(wěn)定性以及抑制雜散。

圖1 ?超外差接收機(jī)流程圖

1 ?接收機(jī)的重要指標(biāo)

1.1 ?靈敏度

一般情況下，靈敏度高的接收機(jī)能夠識(shí)別更微弱的回波信號(hào)。靈敏度主要由接收機(jī)的噪聲系數(shù)決定，而且噪聲系數(shù)還會(huì)影響回波信號(hào)的信噪比，因此，設(shè)計(jì)接收機(jī)時(shí)要將噪聲系數(shù)控制得盡量小。靈敏度一般用能辨識(shí)的最小信號(hào)[Smin]表示：

[Smin=-174 ?dBm+10lg Fs+10lg B+KSNR+Km] （1）

式中：[Fs]為接收機(jī)的噪聲系數(shù);[B]為中頻帶寬，單位為Hz;[KSNR]為接收機(jī)可分辨的最小信噪比，一般情況下取[KSNR]=0，單位為dB;[Km]為信號(hào)調(diào)制特性的函數(shù)，一般情況下取[Km]=0，單位為dB。

1.2 ?噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)（[Fs]）表征接收機(jī)內(nèi)部噪聲的大小，定義為接收機(jī)輸入信噪比和輸出信噪比的比值：

[Fs=F1+F2-1G1+F3-1G1G2+…+Fn-1G1G2…Gn-1] （2）

式中：[F1]，[F2]，…，[Fn]為第1級(jí)、第2級(jí)，…，第[n]級(jí)的噪聲系數(shù);[G1]，[G2]，…，[Gn-1]為第1級(jí)、第2級(jí)，…，第[n-1]級(jí)的增益。

1.3 ?動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍（DR）決定接收機(jī)所允許的功率輸入范圍，動(dòng)態(tài)范圍越大表明接收機(jī)所能允許雷達(dá)探測的范圍越大。常用的有1 dB增益壓縮點(diǎn)動(dòng)態(tài)范圍（[DR-1]）和無失真信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍（[DRsf]）。1 dB增益壓縮點(diǎn)動(dòng)態(tài)范圍的定義為：當(dāng)接收機(jī)的輸出功率達(dá)到產(chǎn)生1 dB壓縮時(shí)，輸入信號(hào)的功率與靈敏度之比，即[DR-1=Pi-1Smin]。無失真信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍是指接收機(jī)的三階交調(diào)等于靈敏度時(shí)，接收機(jī)輸入的最大信號(hào)功率與靈敏度之比，即[DRsf=PisfSmin]。正常情況下，兩者之間的關(guān)系為：

2 ?接收機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 ?接收機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求

根據(jù)科研中的實(shí)際要求，多通道甚高頻接收機(jī)需要6個(gè)通道，工作頻率范圍為30～60 MHz。每個(gè)通道的具體指標(biāo)要求為：

接收機(jī)頻率范圍為30～60 MHz;靈敏度≤-113 dBm;線性動(dòng)態(tài)范圍≥70 dB;增益≥50 dB;通道間增益差異≤3 dB;接收帶寬為120 kHz。

2.2 ?接收機(jī)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)中是實(shí)現(xiàn)對(duì)已知頻段的信號(hào)進(jìn)行接收和提取有用信息，因此可以采用與接收信號(hào)相匹配的本振得到固定中頻的輸出。為了抑制鏡像頻率干擾，根據(jù)接收機(jī)頻率范圍，選取中頻（IF）為71.4 MHz。預(yù)選濾波器選擇的工作頻段為24.4～61.5 MHz，IF濾波器選擇的工作頻率為71.4 MHz，帶寬為120 kHz。

根據(jù)式（1）和靈敏度、接收帶寬要求，可以得到接收機(jī)的噪聲系數(shù)應(yīng)該不大于11.8 dB。為使IF輸出信號(hào)的質(zhì)量足夠好，應(yīng)盡量降低噪聲系數(shù)。根據(jù)式（2）可知，前級(jí)放大器應(yīng)該選擇一個(gè)低噪聲、高增益的放大器。選擇的低噪聲放大器為Gali?74+。增益在30～60 MHz為25.1 dB，噪聲系數(shù)[F1=]2.7 dB。理論上，這樣可將噪聲系數(shù)控制在4 dB以下。

為了實(shí)現(xiàn)高的動(dòng)態(tài)范圍和高的隔離度，混頻器選擇LAVI?2AH，它的最大本振信號(hào)輸入功率可達(dá)25 dBm，RF輸入信號(hào)功率最高為24 dBm，1 dBm壓縮點(diǎn)功率為23 dBm，具有較大的線性輸入動(dòng)態(tài)范圍，它的三階交調(diào)點(diǎn)為34 dBm，工作頻率為2～1 100 MHz，而典型的本振（LO）輸入信號(hào)與射頻輸入信號(hào)的隔離度以及LO輸入信號(hào)與IF輸出信號(hào)的隔離度分別為48 dB，47 dB。

根據(jù)線性動(dòng)態(tài)范圍以及增益的要求，IF放大器的1 dB壓縮點(diǎn)要足夠高且增益也要很高，考慮到實(shí)際情況，IF放大器用兩個(gè)放大器級(jí)聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)。IF放大器1采用SGA4563芯片，其增益為28 dB，IF放大器2采用Gali?74+芯片，其增益為25.1 dB，1 dB壓縮點(diǎn)[Po?1=]19.2 dBm。

匹配網(wǎng)絡(luò)是π型電阻網(wǎng)絡(luò)，用于前后級(jí)的阻抗匹配以便于芯片能正常工作，還可以調(diào)節(jié)各個(gè)通道的增益，保證各個(gè)通道之間的增益一致。最后設(shè)計(jì)的超外差接收機(jī)的單個(gè)通道的框圖如圖2所示。其中，限幅器的作用是用于保護(hù)接收機(jī)，其最大耐壓值為25 kV，LO信號(hào)通過6分1功分器來提供給6個(gè)通道，保證各個(gè)通道的本振一致。

圖2 ?單個(gè)通道甚高頻超外差式接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

3 ?接收機(jī)測試

測試方法是通過信號(hào)源輸出信號(hào)給接收機(jī)的輸入端，將接收機(jī)的輸出信號(hào)接入到射頻信號(hào)分析儀中進(jìn)行分析。信號(hào)源的型號(hào)為羅德與施瓦茨公司旗下的SMB?100 A，輸出頻率為9 kHz～3.2 GHz，輸出功率為-145～30 dBm。射頻信號(hào)分析儀型號(hào)為可方便攜帶的N9912A，生產(chǎn)廠家為安捷倫公司，最高測試頻率可達(dá)4 GHz。

3.1 ?靈敏度測試

測試靈敏度時(shí)，首先使信號(hào)源輸出為零，通過使用衰減器把接收機(jī)增益控制在0 dB附近，使頻譜分析儀上有一噪聲指示值，如圖3a）所示，噪聲指示值為-123.6 dBm。然后使信號(hào)源有一定的輸出，并微調(diào)頻率使其輸出為最大，如圖3b）所示，此時(shí)信號(hào)源的輸出功率為-122.4 dBm。再調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出功率，使接收機(jī)輸出功率的指示值為前者的2倍，即多3 dB，此時(shí)接收機(jī)輸入端的功率即為雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度，如圖3c）所示，此時(shí)信號(hào)源的輸出功率為-119.6 dBm，即靈敏度[Smin=]-119.6 dBm。

3.2 ?線性動(dòng)態(tài)范圍測試

無失真動(dòng)態(tài)范圍的測試方法為：從接收機(jī)靈敏度的值開始不斷增大信號(hào)源的輸出功率，使射頻信號(hào)分析儀的指示值達(dá)到無失真的臨界點(diǎn)，此時(shí)底部噪聲的功率保持一個(gè)不變的臨界點(diǎn)，即為-122 dBm左右。此時(shí)信號(hào)源輸出的功率即為無失真動(dòng)態(tài)范圍的最大值，如圖4a）所示，即為-60.12 dBm。可以算得無失真動(dòng)態(tài)范圍為[DRsf=]-60.12-[Smin=]59.48 dB。

1 dB壓縮點(diǎn)的動(dòng)態(tài)范圍測試方法為：調(diào)節(jié)信號(hào)源的輸出功率，使射頻信號(hào)分析儀的指示值為0 dBm左右，然后增大信號(hào)源的輸出功率，觀測射頻信號(hào)分析儀的增長情況，當(dāng)信號(hào)源輸出信號(hào)增大10 dB，而射頻信號(hào)分析儀上的輸出信號(hào)僅增大9 dB時(shí)，此時(shí)信號(hào)源的輸出功率即為接收機(jī)輸入信號(hào)的1 dB壓縮點(diǎn)，如圖4b）所示，1 dB壓縮點(diǎn)為-42.97 dBm。

圖3 ?靈敏度測試結(jié)果

圖4 ?無失真動(dòng)態(tài)范圍測試結(jié)果

可以算得1 dB壓縮點(diǎn)的動(dòng)態(tài)范圍為DR-1=-42.97-[Smin]=76.63 dB，和式（3）非常相符。接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍一般指的就是1 dB壓縮點(diǎn)的動(dòng)態(tài)范圍。

3.3 ?增益測試

增益測試的方法為：接收機(jī)輸出不接任何衰減器，信號(hào)源輸入適當(dāng)?shù)墓β?，讀取射頻分析儀上的輸出功率指示值，指示值與輸入功率之間的差值即為接收機(jī)增益。

3.4 ?接收帶寬測試

接收帶寬測試方法為：選取適當(dāng)?shù)男盘?hào)源輸出功率，獲得最大的中頻輸出功率如圖5b）所示。然后微調(diào)信號(hào)源的輸出頻率，當(dāng)中頻輸出的信號(hào)功率下降3 dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率為[f1]，[f2]，如圖5a），圖5c）所示?？梢运愕媒邮諑抂B=f2-f1=]128 kHz。

圖5 ?接收帶寬測試結(jié)果

3.5 ?多通道甚高頻超外差接收機(jī)測試結(jié)果

依次對(duì)6個(gè)通道進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。可以看出各個(gè)通道的靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、增益、接收帶寬均滿足設(shè)計(jì)要求，且通道之間的增益差異小于3 dB，也滿足設(shè)計(jì)的要求，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天線陣信號(hào)的等效接收。

4 ?結(jié) ?語

本文針對(duì)多通道VHF雷達(dá)系統(tǒng)接收機(jī)的一些問題，提出其接收機(jī)設(shè)計(jì)的指標(biāo)，并設(shè)計(jì)一種多通道甚高頻超外差接收機(jī)。經(jīng)過測試，靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、增益、通道差異以及接收帶寬的測試結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，保證了科研工作中得到的數(shù)據(jù)的可靠性與有效性，對(duì)于通信、雷達(dá)系統(tǒng)的多樣化具有較大的意義。

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