VHF跳頻電臺(tái)接收機(jī)射頻前端的仿真設(shè)計(jì)與研究

    隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和無線通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，無線電通信的應(yīng)用越來越廣泛，家用電器產(chǎn)品日益普及。射頻前端作為接收機(jī)的重要組成部分，主要功能是將接收到的高頻信號(hào)，轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào)。射頻前端電路對(duì)整個(gè)接收系統(tǒng)的性能有著至關(guān)重要的作用，其檢測(cè)小信號(hào)的能力直接決定了接收機(jī)的靈敏度；對(duì)大信號(hào)的適應(yīng)能力決定著接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍；良好的線性度可以減少系統(tǒng)中的互調(diào)失真和交調(diào)失真。文中著重介紹利用Agilent公司開發(fā)的功能強(qiáng)大的ADS(Advanced Design System)仿真軟件對(duì)接收機(jī)的射頻前端進(jìn)行仿真，得到射頻前端可靠的優(yōu)越的性能指標(biāo)，縮短了生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。
1 射頻前端的具體指標(biāo)
    根據(jù)接收機(jī)的靈敏度、噪聲系數(shù)、選擇性、動(dòng)態(tài)范圍、鏡象抑制和中頻抑制等各項(xiàng)性能要求，分配到前端的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)為：(1)頻率范圍：30．000～87．975．MHz；(2)增益：13±2 dB(高靈敏度)，0±2 dB(低靈敏度)；(3)像頻抑制：30～58．975 MHz≥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(shè)計(jì)
    文中的射頻前端電路原理框圖，如圖1所示。

    由圖1可知，前端電路由保護(hù)電路，跳頻預(yù)選濾波器，低噪聲放大器和自動(dòng)增益控制電路組成。其中保護(hù)電路是接收機(jī)射頻前端能在現(xiàn)代復(fù)雜電磁環(huán)境下繼續(xù)良好工作的保障，防止接收機(jī)因受強(qiáng)信號(hào)而造成損壞；跳頻預(yù)選濾波器是為了選出接收機(jī)的工作頻率信號(hào)，濾除其他雜波，提高接收機(jī)的選擇性和抑制性；低噪聲放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)接收的微弱信號(hào)的不失真放大，提高接收機(jī)的靈敏度以及動(dòng)態(tài)范圍；AGC電路通過檢波器檢測(cè)與RF信號(hào)成正比的信號(hào)，并把它整流成DC電壓，通過比較器與基準(zhǔn)電平比較，然后輸入終端，由終端進(jìn)行控制，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)LNA的增益控制，提高接收機(jī)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。這是該射頻前端設(shè)計(jì)的一個(gè)獨(dú)到之處。
    根據(jù)前端的原理框圖，在ADS中構(gòu)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中所用的放大器件為晶體管2N5031和場(chǎng)效應(yīng)管U310;在電路結(jié)構(gòu)上采用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，保證足夠的功率增益，其中第一級(jí)晶體管電路采用負(fù)反饋技術(shù)以保證放大器的穩(wěn)定性。圖3中所用的放大器件為場(chǎng)效應(yīng)管V310，具有高增益，低噪聲，高穩(wěn)定的特性。
2．1 數(shù)控跳頻預(yù)選濾波器的仿真
    數(shù)控跳頻預(yù)選濾波器的基本作用是對(duì)頻率有選擇地通過，把需要的信號(hào)選出來，并抑制不需要的信號(hào)。濾波器設(shè)計(jì)所關(guān)心的主要問題是信號(hào)通過濾波器所產(chǎn)生的插損大小，相位變化，以及對(duì)不希望信號(hào)的抑制能力?？紤]到設(shè)計(jì)的接收機(jī)工作在30～87．975 MHz的頻率范圍內(nèi)，并希望實(shí)現(xiàn)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(diào)諧濾波器，并且所選電調(diào)諧濾波器應(yīng)具有較寬的調(diào)諧范圍，較快的電調(diào)諧速度和較高的Q值以實(shí)現(xiàn)頻率預(yù)選。本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的數(shù)控跳頻預(yù)選濾波器是采用邏輯芯片控制電容器組的方法來實(shí)現(xiàn)濾波器中心頻率調(diào)諧的雙調(diào)諧濾波器。在ADS中的連接圖，如圖4所示，通過調(diào)諧控件對(duì)電容C01,C02的容值進(jìn)行改變得到對(duì)選用不同的電容器組的濾波器進(jìn)行仿真。

    從圖5中(a)，(b)，(c)的仿真結(jié)果中可以看出，中心頻率為86．5 MHz時(shí)濾波器的帶寬為3．9 MHz，插入損耗為5．352 dB。中心頻率為60．5 MHz時(shí)濾波器的帶寬為2．6 MHz，插入損耗為4．375 dB。中心頻率為30．0 MHz時(shí)濾波器的帶寬為1．5 MHz，插入損耗為5．764 dB。帶寬和插入損耗在各頻率點(diǎn)上出現(xiàn)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(gè)原因是在仿真的過程中，把L3設(shè)定為一個(gè)固定值，因而在頻率的高端出現(xiàn)了過耦合現(xiàn)象，頻率的低端出現(xiàn)了欠耦合。實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)，L3是電感L1、L2的寄生電感，其值是在變化的。從仿真結(jié)果中還可以看出通過濾波器所得的頻率響應(yīng)是不對(duì)稱的，信號(hào)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?yàn)樗O(shè)計(jì)的跳頻預(yù)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(jié)果成鏡像關(guān)系。總的來說，所設(shè)計(jì)的跳頻預(yù)先濾波器的帶內(nèi)插損和帶寬都達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，其中插損(4～6 dB)、帶寬(1～4 MHz)，較好的實(shí)現(xiàn)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 Noise Amplifier，簡(jiǎn)稱LNA)，是接收機(jī)射頻前端的重要組成部分。低噪聲放大器主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：首先，它位于接收機(jī)的最前端，要求噪聲越小越好。為了抑制后面各級(jí)噪聲對(duì)系統(tǒng)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(chǎn)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(nèi)應(yīng)該是穩(wěn)定的。其次，它所接收的信號(hào)很微弱，低噪聲放大器必定是一個(gè)小信號(hào)線性放大器。而且受傳輸路徑的影響，信號(hào)的強(qiáng)弱又是變化的，在接收信號(hào)的同時(shí)又可能伴隨許多強(qiáng)干擾信號(hào)混入，因此要求放大器有足夠的線性范圍。
2．2．1 LNA的穩(wěn)定性分析
    在設(shè)計(jì)小信號(hào)高頻放大器時(shí)，應(yīng)用S參數(shù)以評(píng)估主動(dòng)元件的振蕩傾向，也是一項(xiàng)不可或缺的程序。穩(wěn)定性是說明主動(dòng)元件在輸入端和輸出端，接上任何阻抗后仍能穩(wěn)定工作，或是在與某些阻抗組合時(shí)，將引發(fā)振蕩的特性。前者稱為無條件穩(wěn)定，后者稱為潛在性不穩(wěn)定。主動(dòng)元件的穩(wěn)定性，可憑借S參數(shù)的羅列特穩(wěn)定因數(shù)K判定。在導(dǎo)出K之前，需先計(jì)算
   
    羅列特穩(wěn)定因數(shù)K為

2．2．2 高增益低噪聲放大器仿真

    若K>1，則主動(dòng)元件無條件穩(wěn)定，可用以與任何信號(hào)源阻抗或者負(fù)載組合。反之，若0<K<1，則主動(dòng)元件為潛在性不穩(wěn)定的，在與某些信號(hào)源阻抗或負(fù)載組合時(shí)，可能會(huì)引發(fā)振蕩。根據(jù)以上這些要求，在ADS2006仿真軟件中進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)了一種性能優(yōu)越的LNA，以滿足系統(tǒng)的要求，并有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

    由表1的仿真數(shù)據(jù)可知，設(shè)計(jì)的射頻前端都達(dá)到了設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)且有一定的提高，特別是在鏡像抑制上要比設(shè)計(jì)要求好的多。

4 結(jié)束語(yǔ)
    從仿真得到的射頻前端性能指標(biāo)數(shù)據(jù)分析，在整個(gè)工作頻段內(nèi)，增益都較為平坦，而且射頻前端的抑制性較好，噪聲系數(shù)較低，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高低靈敏度選擇，自動(dòng)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(shù)上有了較大改善，為下一步實(shí)際電路的設(shè)計(jì)奠定了一定的基礎(chǔ)，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期，降低了設(shè)計(jì)成本。