微波接收機的設(shè)計

1、微波接收機的設(shè)計學(xué)院：XXXX學(xué)院姓名：XXX班級：XXXXXXXXXX學(xué)號：XXXXXXXXXX摘要：微波接收機通過接收被觀測場景輻射的微波能量來探測目標(biāo)的特性，其合理設(shè)計是微波遙感探測定量化應(yīng)用的基礎(chǔ)。本文對微波接收機的設(shè)計方案和步驟進(jìn)行了論述，簡要設(shè)計了一個全功率超外差型微波接收機系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：微波 接收機 增益微波接收機的基本功能就是從天線接收到的隨機信號中提取出比接收機內(nèi)部噪聲低很多的表征背景目標(biāo)特性的微波輻射信號。微波接收機必須保證系統(tǒng)的頻率、帶寬、測溫靈敏度、積分時間、線性相關(guān)系數(shù)和增益穩(wěn)定度等參數(shù)，因此接收機的精心設(shè)計和研制是保證整機性能指標(biāo)實現(xiàn)的一大關(guān)鍵。接收機的功能有： 把

2、從天線傳入的微弱信號放大轉(zhuǎn)換為A/D采樣器所需的電平。 把目標(biāo)信號從噪聲和干擾信號中濾出。 將天線接收的射頻信號下變頻，降低A/D的采樣頻率。 AGC控制。一、 接收機關(guān)鍵參數(shù)的確定1. 接收機量化噪聲、量化信噪比及最大最小增益的計算接收機的輸入信號有很大的動態(tài)范圍，確定接收機的放大倍數(shù)時，通常會放大接收機的增益，將最小的輸入信號也能足夠放大，而在大信號輸入時，利用可變衰減器可以降低增益。接收機的最大增益取決于最小輸入信號Prmin，等效噪聲輸入功率Pni和A/D的量化噪聲性能。對于一個幅度與最大電平匹配的正弦波，電壓在負(fù)載R上的時間平均功率是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。量化噪聲是實際信號值和量化噪聲值之間的誤差，是一個分層電平之間隨機的值，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的信號中沒有噪聲，最大信號是Pomax，這時的量化信噪比最大，可表示為 SNR= PomaxNb=3222N (2)用分貝表示為 SNR= 6N+1.76(dB) (3)可見量化信噪比可以通過提高N來改善。對于N=8位的A/D量化信噪比約為50dB。當(dāng)輸入信號小時，量化信噪比也相應(yīng)減小，對于最小信號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)因為有 Pomin=PrminGmax (5)因此可以確定接收機最大增益了?？煞謨煞N情況來確定：情況一：接收機輸入端最小信號（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增益，就會使接收機的輸出噪聲功率增大，超過A/D的動態(tài)范圍。所以，確定接收機最大增益的原則是：接收機的噪聲輸出電平（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)寫成分貝的形式就有 GmaxPomax-Pni-3dB (7)對最小輸入信號

5、，接收機的輸出就是GmaxPrmin，若按(4)計算的量化信噪比達(dá)不到30dB，就需要加大A/D的位數(shù)來減小量化電平，提高量化信噪比。情況二：接收機輸入端最小信號（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經(jīng)過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)確定接收機最小增益的原則就是將接收機的最大輸入信號放大到A/D的最大允許輸入電平，寫成分貝的形式就是 Gmin=PomaxdBm-PrmaxdBmdB (9)2. 接收機

6、的一般結(jié)構(gòu)接收機的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示?？芍饕譃槿墸?LNA（低噪聲放大器）級：決定系統(tǒng)的噪聲性能。 MIX（混頻器）級：數(shù)控衰減器的作用是在大信號輸入時進(jìn)行衰減，降低系統(tǒng)的增益，防止后級飽和。 IF（中頻）級：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，一次變頻就可以了。圖 1 接收機的一般結(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。一般來說濾波帶寬比信號帶寬寬得多，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，與信號的頻帶相匹配，因此也濾除了信號頻帶外的噪聲。系統(tǒng)噪聲帶寬由它決定。4. 接收機噪聲系數(shù)和噪聲溫度噪聲系數(shù)是表征一個部件（如放大器、混頻器、傳輸線或整個接收機）內(nèi)部噪聲大小的一個物理量。當(dāng)一個噪聲通過一個部件或系統(tǒng)時，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 10一個有噪聲的部件可以等效為一個無噪聲的部件，并把它的噪聲折合到輸入端，其等效的輸入噪聲溫度為Te，可以推出部件的噪聲系數(shù)的大

8、小與信號的功率無關(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。它們都來自一個源頭，即高穩(wěn)晶振，都有相同的頻率穩(wěn)定度。這樣的接收機也稱為相干接收機。6. I/O正交解調(diào)器信息調(diào)制在載波上是為了信號傳播的需要。載波并不含有信息量，所以可以通過相干混頻器把信號的載波頻率混掉。相當(dāng)于把信號頻率的中心頻率搬到零

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

10、在數(shù)字域進(jìn)行。二、 接收機設(shè)計步驟 根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)計算接收機的最大輸入信號功率Prmax，最小輸入信號功率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算接收機的最小總增益： Gmin=PomaxdBm-PrmaxdBmdB (15) 如果接收機輸入的最小功率大于等效輸入噪聲功率，則由下式計算最小輸入A/D的信號電平： Pomin=30dBm+PomaxdBm-32N-3dB-11dB (16) 計算接收機的最大總增益 Gmax=Pomin-Prmin=30dB+PomaxdBm-32N-3dB-11dB-Prmin (17) 如果接收機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最大增益： Gmax=Pomax-Pni-3dB (18) 計算接收機的最小輸出信號并計算最小信號經(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來增加SNR。 根據(jù)接收機的最大總增益確定接收機的結(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，衰減最小時接收機的增益最大，當(dāng)輸入信號增大時，衰減器起控，增益降低，使接收機輸出不飽和，也不會超過A/D的最大允許輸入電平。 確定各級濾波器的特性，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帶寬確定，濾除信號以外的噪聲和混頻器產(chǎn)生的雜波。 確定本振頻率，一般接收機的本振頻率應(yīng)和發(fā)射機的上變頻頻率相對應(yīng)?；祛l后的中頻頻率應(yīng)和信號的帶寬相適應(yīng)。采用正交解調(diào)方式時本振頻率和信號的載波頻率完全相同（相干）。 畫系統(tǒng)框圖，計算鏈路中各

13、級放大器的輸入、輸出電平，確定各級放大器的動態(tài)范圍。如果要求放大器的動態(tài)范圍太大，則應(yīng)重新分配鏈路增益。三、 超外差式接收機設(shè)計超外差式接收機電路上實現(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。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)接收機輸出超過某一設(shè)定的范圍時，改變增益控制電壓，調(diào)整接收機輸出，從而保證接收機在長期工作時的輸出電壓不會超出要求的范圍。系統(tǒng)把從天線饋源進(jìn)入的信號，經(jīng)接收機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)分析計算輻射計等效表示如圖2所示。圖 2 輻射計等效表示圖天線噪聲溫度： T'A=TA+1-T0 (21)式中：天線效率；TA無損天線觀察到的場景的天線輻射溫度；T0天線的物理溫度。傳輸線和接收機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、收機的動態(tài)范圍為3K350K，可取TA=300K；除天線外，整個通道恒溫在300K的環(huán)境中，所以T0=300K，此時： T'A=TA+1-T0=TA 24 TSYS=TA+T'REC 25接收機的靈敏度計算公式： T=TSYS1B+(GG)212 26式中：B接收機的中頻帶寬；接收機的積分時間。表1給出了接收機的噪聲系數(shù)和傳輸線損耗及相應(yīng)的各級等效噪聲溫度。表 1 接收機技術(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. 增益估算接收機檢波前總增益的計算公式為： G=PIFkTSYSBa (27)式中，PIF=10-5W，k是玻爾茲曼常數(shù)，單邊帶時a=1，雙邊帶a=2。增益計算結(jié)果見表2。表 2 接收機增益計算結(jié)果B(MHz)900TSYS(K)826.27G(dB)603. 增益分配根據(jù)表2的計算結(jié)果，接收機各級增益分配見表3。表 3 接收機各級增益分配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)計軟件設(shè)計后，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改變接收機增益，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