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美隆電子有限公司 |
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期日: |
2007年1月1日 |
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寬頻跳頻接收單元電路的設計與實現 |
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寬頻跳頻接收單元電路的設計與實現 |
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本文介紹一種寬頻跳頻接收單元電路，其主要功能是把輸入端傳送過來的高頻訊號處理成10.7MHz的中頻訊號給電腦採樣運算。 |
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其主要特性指標包括：1.
頻率範圍：500kHz~1,000MHz；2. 輸入電平<0dBm；3. 輸入阻抗:50Ω；4. 中頻輸出：10.7MHz；5. 輸出 |
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電平:7dBm
±3dB。接收電路主要由一系列的微波功能模組(放大模組、濾波器模組、混頻模組、微波開關、DDS、本振環、控制 |
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單元等)構成，其主要結構圖如圖1所示。 |
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圖1：訊號接收單元原理結構圖 |
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第一混頻單元 |
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本級混頻器採用MINI_CIRCUITS公司的TFM_12MH，具體性能指標見圖2。 |
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圖2：混頻器TFM_12MH性能指標 |
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由於RF輸入訊號電平高達0dBm，故要採用高電平的本振，提高系統性能。由於本元件本振電平高達13dBm，故應注意到LO泄 |
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漏對系統的影響。第一本振單元要實現系統的頻率跳變，並與RF實現570MHz和70MHz的兩類中頻輸出。這裡因為RF的頻率跨度 |
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太大，要分頻段混頻，所以一部份先混頻到570MHz，再與500MHz本振混頻，下變頻到70MHz；另外一部份頻段直接混頻到 |
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70MHz。 |
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第二混頻單元 |
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開關
由於前級有兩路中頻輸出，故很自然地在這裡採用了兩個單刀雙擲開關──HITTITE公司的HMC348LP3，具體用法見圖3。 |
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其隔離度優於-55dB，插損小於0.6dB。注意該元件 |
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有50Ω和75Ω兩種型號，這裡都是用的50Ω系統。 |
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元件的Vdd=5V，CTRL高電平(2~5V)有效，低電平 |
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(0~0.8V)為OFF。 |
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70MHz低通濾波器 該LPF的目的是為了濾除第一級 |
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混頻之後所出現的不需要的互調、交調、鏡像頻率 |
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以及諧波，減少對後級、對系統的影響。具體電路 |
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如圖4所示。 |
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圖3：MC348LP3的電路應用 |
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圖4：70MHz低通濾波器電路圖 |
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圖5：570MHz低通濾波器電路圖 |
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圖6：0MHz低通濾波器 |
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570MHz低通濾波器 其目的與70MHz低通濾波器相同，具體電路 |
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和電路效果分別見圖5和7。此處並聯到地的83.5pF的電容器是由 |
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高精密度的兩電容器並聯構成，其值分別為82pF與1.5pF。 |
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第二級混頻器
本級混頻器採用 |
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MINI_CIRCUITS公司的ADE_1MHW，具體性能指標見圖8。 |
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圖7
：570MHz低通濾波器 |
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圖8：混頻器ADE_1MHW性能指標 |
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這裡同樣採用高電平(13dBm)的本振提高系統性能，但應注意LO泄漏對系統的影響。第二本振單元要實現系統頻率由570MHz變 |
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換到70MHz的中頻輸出。 |
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第二級混頻器之後的放大和濾波
為了減少後面放大器與混頻器之間的不匹配對混頻器的反射而引起的性能惡化，在放大器和 |
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ADE_1MHW之間加了一級Π形隔離器，同時也可以作為調節電路增益的一個機動之處。同時，為了減少訊號反射回混頻器出現再 |
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混頻而引起的互調，這裡採用寬頻放大器，可以增加反向隔離度。同時為了提高線性度，要採用高1dB壓縮點的放大器。寬頻放大 |
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器採用MINI_CIRCUITS公司的MAV-11SM，其在70MHz處的增益為GAIN=12.7dB，P-1OUT=17.5dBm，偏置電壓為5.5V，偏置電流 |
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為60mA。由於系統採用12V電壓供電，故偏置電阻採用110Ω的標稱值，高頻扼流圈RFC採用繞線線圈。電路結構見圖9。 |
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其後的濾波器仍採用前面的70MHz低通濾波器。 |
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兩路70MHz的選通及放大濾波 選通開關仍然採用HITTITE公司的HMC348LP3。 |
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放大器採用MINI_CIRCUITS公司的MAR-8SM，它在70MHz的增益為33dB，P- |
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1OUT=12.5dBm，偏置電壓為7.8V，偏置電流為36mA。由於系統採用12V電壓 |
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供電，故偏置電阻採用120Ω的標稱值，高頻扼流圈RFC採用繞線線圈。 |
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其後的濾波器先採用前述的70MHz低通濾波器，濾除由於放大器的非線性所出 |
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現的多餘雜波以及本身的諧波，減少對後級、對系統的影響。同時，為了保證 |
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圖9：MAV-11SM電路應用 |
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系統的2MHz的頻寬，並減少載頻近端的雜散和噪音影響，在這裡用了一個中心 |
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頻率為70MHz，頻寬為2.1MHz的表面聲波濾波器，其插損為24.5dB，帶外抑制 |
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40dB，應用電路如圖10所示。 |
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第三級混頻單元 |
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第三級混頻器 本級混頻器採用MINI_CIRCUITS公司的ADE_1L，性能指標 |
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見圖11。 |
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圖10：ASWF的應用電路 |
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圖11：混頻器ADE_1L性能指標 |
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由於此時RF輸入訊號較小，故不需要採用高電平的本振，減少LO的泄漏，提高系統性能。其中頻輸出的中心頻率為10.7MHz。 |
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第三混頻單元可實現系統頻率在100Hz到2MHz內的頻率跳變輸出。 |
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第三級混頻器之後的放大和濾波 由於RF的電平太低，這裡需要兩級放大器串聯，保證理想的輸出電平。如前所述，放大器需採用 |
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高於1dB壓縮點的寬頻放大器。前級放大採用MINI_CIRCUITS公司的ERA_8SM。它在10.7MHz的增益為33dB，P-1OUT=12.5dBm， |
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偏置電壓為3.2~4.2V，偏置電流為36mA。由於系統採用12V電壓供電，故偏置電阻採用240Ω的標稱值，高頻扼流圈RFC採用繞線線 |
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圈。 |
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放大器之後的10.7MHz低通濾波器濾除由於放大器的非線性所出現的不需要的雜波以及本身的諧波，減少對後級、對系統的影響。 |
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其電路圖及效果分別見圖12和圖13。 |
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圖12：10.7MHz低通濾波器電路圖 |
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為了減少兩級放大器的不匹配而引起的性能惡化，我們在放 |
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大器ADE_1MHW之間加了一級Π形隔離器。 |
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後級放大器採用MINI_CIRCUITS公司的ERA_5SM。它在 |
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10.7MHz的增益為23dB，P-1OUT=18.4dBm，偏置電壓為 |
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4.2~5.5V，偏置電流為65mA。由於系統採用12V電壓供電， |
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故偏置電阻採用110Ω的標稱值，高頻扼流圈RFC採用繞線 |
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圖13：10.7MHz低通濾波器 |
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線圈。 |
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為了濾除由於放大器的非線性所出現的不需要的雜波以及本身的諧波，減少對後級、對系統的影響，放大器之後再加了一級 |
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10.7MHz低通濾波器，其電路圖及效果分別見圖12和圖13。同時為了濾除帶通近端的雜散和降低噪音，還加了一級10.7MHz的帶通 |
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濾波器。其效能見圖14。 |
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圖14：10.7MHz的帶通濾波器 |
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其他
本單元電路還有本振環、控制單元等，電源由系統提供，電源去耦和PCB的佈線要特別注意。 |
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本文小結 |
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透過該單元電路，實現了頻率範圍為0.5~1,000MHz、頻率解析度為100Hz、跳變時間為36μs的RF訊號變換為10.7MHz的接收功能。 |
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電路的頻率跳變可透過下述方式實現：當頻譜大於2MHz時，由第一級混頻來實現頻率跳變，因為鎖相環(PLL)本振在窄頻時頻率跳 |
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變比較慢，而在寬頻時可以達到快速的響應時間。當頻譜寬度小於2MHz的時候，由第三級混頻來實現頻率跳變，此處採用直接頻 |
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率合成器(DDS)來實現本振，它可達到ns級的頻率跳變時間。只是要注意控制好它的雜散響應。透過這種分頻響應，就可以實現 |
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36μs的頻率跳變。該系統可以用於寬頻頻率跳變接收系統，尤其是頻譜儀的接收單元。 |
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作者： |
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唐雲結 |
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珠江電廠 |
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唐雲峰 |
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射頻工程師 |
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上海賽龍申科 |
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楊建軍 |
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中國科學院上海微系統與資訊技術研究所 |
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範海文 |
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