摘要：通過對VHF跳頻電臺接收機射頻前端設計指標和具體結構的介紹,運用Aglient公司的射頻設計仿真軟件ADS, 對整個接收機射頻前端電路進行仿真和電路設計, 構建了一個由保護電路、 跳頻預選濾波器、 低噪聲放大器和自動增益控制電路組成的射頻前端電路模型, 并對其進行仿真。最后的實驗結果表明, 所設計的射頻前端的性能指標達到了系統的設計要求, 并有所提高。

隨著現代電子技術和無線通訊技術的飛速發展 , 無線電通信的應用越來越廣泛, 家用電器產品日益普及。射頻前端作為接收機的重要組成部分 , 主要功能是將接收到的高頻信號 , 轉換成中頻信號。射頻前端電路對整個接收系統的性有著至關重要的作用 , 其檢測小信號的能力直接決定了接收機的靈敏度 ;對大信號的適應能力決定著接收機的動態范圍 ;良好的線性度可以減少系統中的互調失真和交調失真。文中著重介紹利用 Ａｇｉｌｅｎｔ公司開發的功能強大的 ＡＤＳ(Ａｄｖａｎｃｅｄ ＤｅｓｉｇｎＳｙｓｔｅｍ)仿真軟件對接收機的射頻前端進行仿真 , 得到射頻前端可靠的優越的性能指標 , 縮短了生產設計時間, 降低生產成本 , 提高產品的質量 。

1射頻前端的具體指標

根據接收機的靈敏度 、 噪聲系數 、 選擇性 、動態范圍 、 鏡象抑制和中頻抑制等各項性能要求 ,分配到前端的各項技術指標為 :

(1)頻率范圍 :30.000 ～ 87.975ＭＨｚ;

(2)增益:13 ±2 ｄＢ(高靈敏度 ), 0 ±2ｄＢ(低靈敏度);

(3)像頻抑制 :30～58.975ＭＨｚ≥80 ｄＢ, 59 ～ 87.975 ＭＨｚ≥75 ｄＢ;

(4)具有高低靈敏度選擇 。

2射頻前端的仿真模型與總體設計

文中的射頻前端電路原理框圖 , 如圖 1所示

圖 1射頻前端電路原理框圖

由圖 1可知 , 前端電路由保護電路, 跳頻預選濾波器 , 低噪聲放大器和自動增益控制電路組成 。其中保護電路是接收機射頻前端能在現代復雜電磁環境下繼續良好工作的保障, 防止接收機因受強信號而造成損壞;跳頻預選濾波器是為了選出接收機的工作頻率信號, 濾除其他雜波 , 提高接收機的選擇性和抑制性;低噪聲放大器實現對接收的微弱信號的不失真放大, 提高接收機的靈敏度以及動態范圍 ;ＡＧＣ電路通過檢波器檢測與 ＲＦ信號成正比的信號, 并把它整流成 ＤＣ電壓, 通過比較器與基準電平比較, 然后輸入終端 , 由終端進行控制, 以此實現對 ＬＮＡ的增益控制, 提高接收機的適應性和穩定性。這是該射頻前端設計的一個獨到之處。 根據前端的原理框圖, 在 ＡＤＳ中構建仿真電路圖 , 高靈敏度條件下的射頻前端電路圖, 如圖 2所示 。低靈敏度條件下的射頻前端電路圖, 如圖 3所示。

圖 2高靈敏度條件下的射頻前端仿真電路圖

圖 3低靈敏度條件下的射頻前端仿真電路圖

圖 2中所用的放大器件為晶體管 2Ｎ5031和場效應管 Ｕ 310 ;在電路結構上采用級聯結構, 保證足夠的功率增益, 其中第一級晶體管電路采用負反饋技術以保證放大器的穩定性。 圖 3中所用的放大器件為場效應管 Ｕ 310 , 具有高增益 , 低噪聲 , 高穩定的特性。

2.1數控跳頻預選濾波器的仿真

數控跳頻預選濾波器的基本作用是對頻率有選擇地通過 , 把需要的信號選出來, 并抑制不需要的信號。濾波器設計所關心的主要問題是信號通過濾波器所產生的插損大小 , 相位變化, 以及對不希望信號的抑制能力。考慮到設計的接收機工作在 30～ 87.975ＭＨｚ的頻率范圍內 , 并希望實現全頻段覆蓋, 以及保持有較高的接收靈敏度 ,因而最好選擇使用電調諧濾波器, 并且所選電調諧濾波器應具有較寬的調諧范圍 , 較快的電調諧速度和較高的 Ｑ值以實現頻率預選 。本項目所設計的數控跳頻預選濾波器是采用邏輯芯片控制電容器組的方法來實現濾波器中心頻率調諧的雙調諧濾波器。在 ＡＤＳ中的連接圖, 如圖 4所示 , 通過調諧控件對電容 Ｃ 01 , Ｃ 02 的容值進行改變得到對選用不同的電容器組的濾波器進行仿真 。

圖 4預選濾波器仿真電路圖

預選濾波器在 30ＭＨｚ, 60.5ＭＨｚ, 86.5ＭＨｚ的仿真結果, 如圖 5所示 。

圖 5仿真結果圖

從圖 5中 (ａ), (ｂ), (ｃ)的仿真結果中可以看出 , 中心頻率為 86.5 ＭＨｚ時濾波器的帶寬為3.9 ＭＨｚ, 插入 損耗為 5.352 ｄＢ。中 心頻率為60.5ＭＨｚ時濾波器的帶寬為 2.6ＭＨｚ, 插入損耗為4.375ｄＢ。中心頻率為 30.0ＭＨｚ時濾波器的帶寬為 1.5ＭＨｚ, 插入損耗為 5.764ｄＢ。帶寬和插入損耗在各頻率點上出現不同的值, 原因之一是通過改變電容值來改變中心頻率, 另一個原因是在仿真的過程中 , 把 Ｌ 3 設定為一個固定值 , 因而在頻率的高端出現了過耦合現象, 頻率的低端出現了欠耦合 。實際電路設計時, Ｌ 3 是電感 Ｌ 1 、 Ｌ 2 的寄生電感 , 其值是在變化的。從仿真結果中還可以看出通過濾波器所得的頻率響應是不對稱的, 信號在高于中心頻率處的衰減速度要大于在低于中心頻率處, 這是因為所設計的跳頻預選濾波器是通過電感耦合造成的 , 如果使用的是電容耦合則得到與仿真結果成鏡像關系 。總的來說 , 所設計的跳頻預先濾波器的帶內插損和帶寬都達到了系統的設計要求, 其中插損 (4 ～ 6ｄＢ)、 帶寬 (1 ～4ＭＨｚ), 較好的實現了選頻濾波作用。

2.2低噪聲放大器 (ＬＮＡ)的仿真

低噪聲 放 大器 (Ｌｏｗ ＮｏｉｓｅＡｍｐｌｉｆｉｅｒ, 簡 稱ＬＮＡ), 是接收機射頻前端的重要組成部分 。低噪聲放大器主要有以下幾個特點:首先 , 它位于接收機的最前端, 要求噪聲越小越好 。為了抑制后面各級噪聲對系統的影響, 要求有一定的增益 ,但為了不使后面的混頻器過載, 產生非線性失真 ,增益又不能過大 , 并且要求放大器在工作頻段內應該是穩定的 。其次 , 它所接收的信號很微弱 ,低噪聲放大器必定是一個小信號線性放大器 。而且受傳輸路徑的影響, 信號的強弱又是變化的 ,在接收信號的同時又可能伴隨許多強干擾信號混入, 因此要求放大器有足夠的線性范圍 。

2.2.1ＬＮＡ的穩定性分析

在設計小信號高頻放大器時 , 應用 Ｓ參數以評估主動元件的振蕩傾向, 也是一項不可或缺的程序。穩定性是說明主動元件在輸入端和輸出端 ,接上任何阻抗后仍能穩定工作, 或是在與某些阻抗組合時, 將引發振蕩的特性 。前者稱為無條件穩定, 后者稱為潛在性不穩定 。主動元件的穩定性 , 可憑借 Ｓ參數的羅列特穩定因數 Ｋ判定。在導出 Ｋ之前, 需先計算

羅列特穩定因數 Ｋ為

若 Ｋ>1, 則主動元件無條件穩定 , 可用以與任何信號源阻抗或者負載組合 。反之, 若 0 <Ｋ<1, 則主動元件為潛在性不穩定的 , 在與某些信號源阻抗或負載組合時, 可能會引發振蕩。根據以上這些要求 , 在 ＡＤＳ2006仿真軟件中進行仿真 ,設計了一種性能優越的 ＬＮＡ, 以滿足系統的要求 ,并有實際的應用價值。 ?

2.2.2高增益低噪聲放大器仿真

圖 6 高增益低噪聲放大器仿真電路圖

圖 7 高增益下LNA的S參數

圖 8 高增益下LNA的噪聲系數

2.2.3低增益低噪聲放大器仿真

圖 9低增益低噪聲放大器仿真電路圖

圖 10低增益下LNA的S參數

圖 11 低增益下LNA的噪聲系數

從仿真結果分析, 所設計的低噪聲放大器, 有較好的增益的同時, 增益平坦度較高, 噪聲系數也很小, 高增益下 ＮＦ<4.5ｄＢ, 低增益下 ＮＦ<2.9ｄＢ,滿足系統的設計要求, 具有良好的實用性, 可靠性。 ?

3射頻前端的仿真結果

為了驗證設計的射頻前端的性能, 在 ＡＤＳ中進行仿真測試, 其增益、 像抗的仿真結果 , 如表 1所示。 表 1射頻前端的仿真結果

由表 1的仿真數據可知 , 設計的射頻前端都達到了設計的性能指標且有一定的提高 , 特別是在鏡像抑制上要比設計要求好的多。

4結束語

從仿真得到的射頻前端性能指標數據分析, 在整個工作頻段內, 增益都較為平坦, 而且射頻前端的抑制性較好, 噪聲系數較低, 達到了預期的設計指標要求, 同時實現了高低靈敏度選擇, 自動增益控制功能。與原有的前端性能相比, 在抑制性和噪聲系數上有了較大改善, 為下一步實際電路的設計奠定了一定的基礎, 縮短了產品設計的周期, 降低了設計成本。

審核編輯 ：李倩