微波接收機(jī)的設(shè)計(jì)

1、微波接收機(jī)的設(shè)計(jì)學(xué)院：XXXX學(xué)院姓名：XXX班級(jí)：XXXXXXXXXX學(xué)號(hào)：XXXXXXXXXX摘要：微波接收機(jī)通過(guò)接收被觀測(cè)場(chǎng)景輻射的微波能量來(lái)探測(cè)目標(biāo)的特性，其合理設(shè)計(jì)是微波遙感探測(cè)定量化應(yīng)用的基礎(chǔ)。本文對(duì)微波接收機(jī)的設(shè)計(jì)方案和步驟進(jìn)行了論述，簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)了一個(gè)全功率超外差型微波接收機(jī)系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：微波 接收機(jī) 增益微波接收機(jī)的基本功能就是從天線接收到的隨機(jī)信號(hào)中提取出比接收機(jī)內(nèi)部噪聲低很多的表征背景目標(biāo)特性的微波輻射信號(hào)。微波接收機(jī)必須保證系統(tǒng)的頻率、帶寬、測(cè)溫靈敏度、積分時(shí)間、線性相關(guān)系數(shù)和增益穩(wěn)定度等參數(shù)，因此接收機(jī)的精心設(shè)計(jì)和研制是保證整機(jī)性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的一大關(guān)鍵。接收機(jī)的功能有： 把

2、從天線傳入的微弱信號(hào)放大轉(zhuǎn)換為A/D采樣器所需的電平。 把目標(biāo)信號(hào)從噪聲和干擾信號(hào)中濾出。 將天線接收的射頻信號(hào)下變頻，降低A/D的采樣頻率。 AGC控制。一、 接收機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的確定1. 接收機(jī)量化噪聲、量化信噪比及最大最小增益的計(jì)算接收機(jī)的輸入信號(hào)有很大的動(dòng)態(tài)范圍，確定接收機(jī)的放大倍數(shù)時(shí)，通常會(huì)放大接收機(jī)的增益，將最小的輸入信號(hào)也能足夠放大，而在大信號(hào)輸入時(shí)，利用可變衰減器可以降低增益。接收機(jī)的最大增益取決于最小輸入信號(hào)Prmin，等效噪聲輸入功率Pni和A/D的量化噪聲性能。對(duì)于一個(gè)幅度與最大電平匹配的正弦波，電壓在負(fù)載R上的時(shí)間平均功率是Pmax，也就是A/D的最大允許輸入功率，即放大器

3、的最大輸出功率Pomax。量化噪聲是實(shí)際信號(hào)值和量化噪聲值之間的誤差，是一個(gè)分層電平之間隨機(jī)的值，平均量化噪聲功率為： Nb=Pomax22N-312=PomaxdBm-32N-3dB-11dB (1)其中，N為A/D的分辨率。假定輸入A/D的信號(hào)中沒(méi)有噪聲，最大信號(hào)是Pomax，這時(shí)的量化信噪比最大，可表示為 SNR= PomaxNb=3222N (2)用分貝表示為 SNR= 6N+1.76(dB) (3)可見(jiàn)量化信噪比可以通過(guò)提高N來(lái)改善。對(duì)于N=8位的A/D量化信噪比約為50dB。當(dāng)輸入信號(hào)小時(shí)，量化信噪比也相應(yīng)減小，對(duì)于最小信號(hào)Pomin輸入的情況，量化信噪比也最小，可表示為 SNR=

4、 PominNb=PomindBm-PomaxdBm+32N-3dB+11dB (4)因?yàn)橛?Pomin=PrminGmax (5)因此可以確定接收機(jī)最大增益了?？煞謨煞N情況來(lái)確定：情況一：接收機(jī)輸入端最小信號(hào)（Prmin）小于等效輸入噪聲（Pni）這種情況下，如果為了提高A/D的量化信噪比而提高接收機(jī)增益，就會(huì)使接收機(jī)的輸出噪聲功率增大，超過(guò)A/D的動(dòng)態(tài)范圍。所以，確定接收機(jī)最大增益的原則是：接收機(jī)的噪聲輸出電平（Pno）比A/D的最大允許輸入電平小3dB，這樣就可以得到 Pno=PniGmax12Pomax (6)寫(xiě)成分貝的形式就有 GmaxPomax-Pni-3dB (7)對(duì)最小輸入信號(hào)

5、，接收機(jī)的輸出就是GmaxPrmin，若按(4)計(jì)算的量化信噪比達(dá)不到30dB，就需要加大A/D的位數(shù)來(lái)減小量化電平，提高量化信噪比。情況二：接收機(jī)輸入端最小信號(hào)（Prmin）大于等效輸入噪聲的情況。這種情況下，Gmax可以大一些以保證信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D之后有足夠高的量化信噪比，一般達(dá)到30dB就可以了。根據(jù)式4-(5)可得 Gmax=Pomin-Prmin=30dB+PomaxdBm-32N-3dB-11dB-Prmin (8)確定接收機(jī)最小增益的原則就是將接收機(jī)的最大輸入信號(hào)放大到A/D的最大允許輸入電平，寫(xiě)成分貝的形式就是 Gmin=PomaxdBm-PrmaxdBmdB (9)2. 接收機(jī)

6、的一般結(jié)構(gòu)接收機(jī)的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。可主要分為三級(jí)： LNA（低噪聲放大器）級(jí)：決定系統(tǒng)的噪聲性能。 MIX（混頻器）級(jí)：數(shù)控衰減器的作用是在大信號(hào)輸入時(shí)進(jìn)行衰減，降低系統(tǒng)的增益，防止后級(jí)飽和。 IF（中頻）級(jí)：二次變頻的作用是防止在同一頻率上增益太高，放大器可能自激，導(dǎo)致系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作，當(dāng)系統(tǒng)總增益小于90dB時(shí)，一次變頻就可以了。圖 1 接收機(jī)的一般結(jié)構(gòu)3. 濾波器的考慮 射頻濾波可以放在LNA的前面，主要作用是濾除雜波和干擾信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)濾波帶寬比信號(hào)帶寬寬得多，這樣也容易研制。 緊跟在LNA后面的濾波器主要是濾除鏡像頻率，一般帶寬也可以比信號(hào)帶寬寬很多，利于研制。 中頻頻率也就是混

7、頻器以后的濾波器的作用是抑制混頻器產(chǎn)生的多種不需要的變頻頻率分量。頻帶比較窄，與信號(hào)的頻帶相匹配，因此也濾除了信號(hào)頻帶外的噪聲。系統(tǒng)噪聲帶寬由它決定。4. 接收機(jī)噪聲系數(shù)和噪聲溫度噪聲系數(shù)是表征一個(gè)部件（如放大器、混頻器、傳輸線或整個(gè)接收機(jī)）內(nèi)部噪聲大小的一個(gè)物理量。當(dāng)一個(gè)噪聲通過(guò)一個(gè)部件或系統(tǒng)時(shí)，由于該部件或系統(tǒng)本身存在噪聲，使得該部件輸出端口的信噪比相對(duì)輸入端口有所下降，部件的噪聲系數(shù)定義為輸入端口的信噪比與輸出端口信噪比之比： F=Psi/PniPso/Pno 10一個(gè)有噪聲的部件可以等效為一個(gè)無(wú)噪聲的部件，并把它的噪聲折合到輸入端，其等效的輸入噪聲溫度為T(mén)e，可以推出部件的噪聲系數(shù)的大

8、小與信號(hào)的功率無(wú)關(guān)，即Te=(F-1)T0。由于F的定義與T0有關(guān)，這樣就不能唯一地表示部件的噪聲特性，所以一般規(guī)定T0=290K。F和Te都是表征部件噪聲特性的量，二者是等效的。5. 頻率綜合器晶振和頻率綜合器包括一個(gè)高穩(wěn)定的晶體振蕩器，其頻率穩(wěn)定度由系統(tǒng)的性能能要求決定，還包括一系列的倍頻和分頻電路，產(chǎn)生收、發(fā)系統(tǒng)所需的各種頻率成分，這些頻率都是相干的。它們都來(lái)自一個(gè)源頭，即高穩(wěn)晶振，都有相同的頻率穩(wěn)定度。這樣的接收機(jī)也稱(chēng)為相干接收機(jī)。6. I/O正交解調(diào)器信息調(diào)制在載波上是為了信號(hào)傳播的需要。載波并不含有信息量，所以可以通過(guò)相干混頻器把信號(hào)的載波頻率混掉。相當(dāng)于把信號(hào)頻率的中心頻率搬到零

9、頻，這樣信號(hào)的頻帶就縮小一半，就降低了對(duì)A/D的要求。但信號(hào)的頻譜就出現(xiàn)了負(fù)頻率，必須用I/O正交解調(diào)器來(lái)解調(diào)這個(gè)信號(hào)。如果一個(gè)窄帶信號(hào)可表示為： St=atcosit+(t)=12utejit+u*te-jit (11) ut=atejt (12)ut中包含了信號(hào)St的全部信息量。 Ste-jit=Stcosit+jStsinit=12ut+12u*te-j2it (13)通過(guò)低通濾波器取出ut，濾出高次項(xiàng)u*te-j2it，從而得到： ut=atejt=atcos(t)+jatsint=I+jQ (14)實(shí)現(xiàn)正交解調(diào)的條件是本地要有一個(gè)相干信號(hào)cosit。正交解調(diào)也可直接將中頻信號(hào)采樣后，

10、在數(shù)字域進(jìn)行。二、 接收機(jī)設(shè)計(jì)步驟 根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算接收機(jī)的最大輸入信號(hào)功率Prmax，最小輸入信號(hào)功率Prmin，等效噪聲輸入功率Pin。 根據(jù)A/D的最大允許輸入電平計(jì)算接收機(jī)的最小總增益： Gmin=PomaxdBm-PrmaxdBmdB (15) 如果接收機(jī)輸入的最小功率大于等效輸入噪聲功率，則由下式計(jì)算最小輸入A/D的信號(hào)電平： Pomin=30dBm+PomaxdBm-32N-3dB-11dB (16) 計(jì)算接收機(jī)的最大總增益 Gmax=Pomin-Prmin=30dB+PomaxdBm-32N-3dB-11dB-Prmin (17) 如果接收機(jī)輸入的最小功率小于等效輸入噪聲功率，

11、則按下式確定接收機(jī)最大增益： Gmax=Pomax-Pni-3dB (18) 計(jì)算接收機(jī)的最小輸出信號(hào)并計(jì)算最小信號(hào)經(jīng)A/D后的量化信噪比：SNR=PominNb=PomindBm-PomaxdBm+32N-3dB+11dB (19)如果SNR>30dB就可以了，如果SNR<30dB，則需要提高N來(lái)增加SNR。 根據(jù)接收機(jī)的最大總增益確定接收機(jī)的結(jié)構(gòu)。如果最大總增益大于90dB，則應(yīng)采用二次變頻方案，如果最大總增益小于90dB，則采用一次變頻方案。 確定增益控制范圍，按下式計(jì)算 G>Gmax-Gmin (20)增益控制一般采用數(shù)控衰減器，控制精度1dB，控制信號(hào)由數(shù)據(jù)處理器提

12、供。 放大鏈路的增益分配低噪放的增益一般為20dB30dB之間，其余增益在混頻器以后的第一中放和第二中放提供，數(shù)控衰減器放在第一混頻以后的中間，衰減最小時(shí)接收機(jī)的增益最大，當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí)，衰減器起控，增益降低，使接收機(jī)輸出不飽和，也不會(huì)超過(guò)A/D的最大允許輸入電平。 確定各級(jí)濾波器的特性，射頻濾波器頻帶較寬，主要功能是濾除雜波和鏡像頻率，中頻濾波器頻帶由信號(hào)帶寬確定，濾除信號(hào)以外的噪聲和混頻器產(chǎn)生的雜波。 確定本振頻率，一般接收機(jī)的本振頻率應(yīng)和發(fā)射機(jī)的上變頻頻率相對(duì)應(yīng)。混頻后的中頻頻率應(yīng)和信號(hào)的帶寬相適應(yīng)。采用正交解調(diào)方式時(shí)本振頻率和信號(hào)的載波頻率完全相同（相干）。 畫(huà)系統(tǒng)框圖，計(jì)算鏈路中各

13、級(jí)放大器的輸入、輸出電平，確定各級(jí)放大器的動(dòng)態(tài)范圍。如果要求放大器的動(dòng)態(tài)范圍太大，則應(yīng)重新分配鏈路增益。三、 超外差式接收機(jī)設(shè)計(jì)超外差式接收機(jī)電路上實(shí)現(xiàn)方便，增益穩(wěn)定，具有抗干擾性。本方案選用全功率超外差型接收機(jī)。采用加置低噪聲放大器、共本振單邊帶方式，可以降低噪聲系數(shù)，消除本振及其諧波對(duì)另一極化接受通道的干擾。設(shè)置步進(jìn)增益控制，當(dāng)接收機(jī)輸出超過(guò)某一設(shè)定的范圍時(shí)，改變?cè)鲆婵刂齐妷?，調(diào)整接收機(jī)輸出，從而保證接收機(jī)在長(zhǎng)期工作時(shí)的輸出電壓不會(huì)超出要求的范圍。系統(tǒng)把從天線饋源進(jìn)入的信號(hào)，經(jīng)接收機(jī)輸入端的低噪聲放大器放大，與本振進(jìn)行混頻，獲得帶寬為B、增益為G的檢波前部分，其輸出電壓和輸入功率成比例的平

14、方律檢波器和低放積分器部分。輸出電壓可以與帶寬B上經(jīng)在積分時(shí)間內(nèi)進(jìn)行平均的輸出功率建立相應(yīng)關(guān)系。1. 技術(shù)指標(biāo)分析計(jì)算輻射計(jì)等效表示如圖2所示。圖 2 輻射計(jì)等效表示圖天線噪聲溫度： T'A=TA+1-T0 (21)式中：天線效率；TA無(wú)損天線觀察到的場(chǎng)景的天線輻射溫度；T0天線的物理溫度。傳輸線和接收機(jī)組合的輸入噪聲溫度如圖3所示：圖 3 T'REC的圖示 T'REC=L-1T0+LTREC (22)式中：L傳輸線損耗因子；T0傳輸線物理溫度；TREC=NFREC-1T0接收機(jī)等效噪聲輸入溫度。則系統(tǒng)噪聲溫度： TSYS=T'A+T'REC 23由于接

15、收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍為3K350K，可取TA=300K；除天線外，整個(gè)通道恒溫在300K的環(huán)境中，所以T0=300K，此時(shí)： T'A=TA+1-T0=TA 24 TSYS=TA+T'REC 25接收機(jī)的靈敏度計(jì)算公式： T=TSYS1B+(GG)212 26式中：B接收機(jī)的中頻帶寬；接收機(jī)的積分時(shí)間。表1給出了接收機(jī)的噪聲系數(shù)和傳輸線損耗及相應(yīng)的各級(jí)等效噪聲溫度。表 1 接收機(jī)技術(shù)參數(shù)NF(dB)3.4(常溫)3.9(高溫)傳輸線損耗(dB)11TREC(K)356.33436.41T'REC(K)526.27627.09TSYS(K)826.27927.09增益穩(wěn)定度5&#

16、215;10-45×10-4(ms)55T(K)0.570.642. 增益估算接收機(jī)檢波前總增益的計(jì)算公式為： G=PIFkTSYSBa (27)式中，PIF=10-5W，k是玻爾茲曼常數(shù)，單邊帶時(shí)a=1，雙邊帶a=2。增益計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。表 2 接收機(jī)增益計(jì)算結(jié)果B(MHz)900TSYS(K)826.27G(dB)603. 增益分配根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，接收機(jī)各級(jí)增益分配見(jiàn)表3。表 3 接收機(jī)各級(jí)增益分配LNA(dB)20MIX(dB)-8IF(dB)484. 振蕩器采用反饋型，介質(zhì)諧振器放在柵極和漏極傳輸線之間，調(diào)試簡(jiǎn)單，一致性好，頻帶寬，輸出功率大，單電源供電。其電路拓?fù)淙鐖D4

17、所示。圖 4 反饋型DRO電路原理圖圖4所示的電路中，微波功率入射到FET柵極，被放大的微波功率由漏極輸出，其中一部分由漏極微帶線、柵極微帶線和介質(zhì)諧振器組成的反饋網(wǎng)絡(luò)反饋到柵極構(gòu)成正反饋形成振蕩，振蕩頻率取決于反饋網(wǎng)絡(luò)的選頻特性，也即介質(zhì)諧振器的諧振頻率，故頻率穩(wěn)定度也決定于介質(zhì)諧振器的頻率穩(wěn)定度，從而得到穩(wěn)頻的效果。5. 中放組件的設(shè)計(jì)根據(jù)中放頻率和帶寬，中頻放大器選用超高頻寬帶集成放大器，輸出濾波器采用設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)后，集成在腔體內(nèi)，減少了高頻濾波器的體積，其電路示意圖如圖5所示。圖 5 中放組件示意圖對(duì)中放電路中的衰減器進(jìn)行增益控制，當(dāng)輸出電壓超出要求的范圍時(shí)改變接收機(jī)增益，使輸出電壓調(diào)整到要求的范圍內(nèi)。6. 平方律檢波器的設(shè)計(jì)平方律檢波器是把功率轉(zhuǎn)換成電壓的關(guān)鍵電路，平方律的實(shí)現(xiàn)主要取決于檢波管本身的性能和工作范圍的選取。采用低勢(shì)壘肖特基檢波二極管作核心器件，輔以外圍電路構(gòu)成平方律檢波器。檢波二極管在零偏置條件下具有很好的平方律特性和檢波靈敏度，其典型參數(shù)見(jiàn)表4。表 4 檢波二極管典型參數(shù)檢波二極管2H10673最大正向壓降正切靈敏度電壓靈敏度燒毀功率200mV-50dB1500mV/mW1W當(dāng)正向壓降大于200mV，檢波管進(jìn)入線性區(qū)，因此要使檢波器工作在平方律范圍，必須保證正向壓降小于200mV。四、 總結(jié)微波接