摘要：通過(guò)對(duì)VHF跳頻電臺(tái)接收機(jī)射頻前端設(shè)計(jì)指標(biāo)和具體結(jié)構(gòu)的介紹,運(yùn)用Aglient公司的射頻設(shè)計(jì)仿真軟件ADS, 對(duì)整個(gè)接收機(jī)射頻前端電路進(jìn)行仿真和電路設(shè)計(jì), 構(gòu)建了一個(gè)由保護(hù)電路、 跳頻預(yù)選濾波器、 低噪聲放大器和自動(dòng)增益控制電路組成的射頻前端電路模型, 并對(duì)其進(jìn)行仿真。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 所設(shè)計(jì)的射頻前端的性能指標(biāo)達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求, 并有所提高。

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和無(wú)線通訊技術(shù)的飛速發(fā)展 , 無(wú)線電通信的應(yīng)用越來(lái)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 ＤｅｓｉｇｎＳｙｓｔｅｍ)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 ～ 87.975ＭＨｚ;

(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(shè)計(jì)

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(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(guò)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(guò)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(chǎng)效應(yīng)管 Ｕ 310 ;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 Ｕ 310 , 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(guò) , 把需要的信號(hào)選出來(lái), 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(wèn)題是信號(hào)通過(guò)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～ 87.975ＭＨｚ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(lái)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(guò)調(diào)諧控件對(duì)電容 Ｃ 01 , Ｃ 02 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 。

圖 4預(yù)選濾波器仿真電路圖

預(yù)選濾波器在 30ＭＨｚ, 60.5ＭＨｚ, 86.5ＭＨｚ的仿真結(jié)果, 如圖 5所示 。

圖 5仿真結(jié)果圖

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60.5ＭＨｚ時(shí)濾波器的帶寬為 2.6ＭＨｚ, 插入損耗為4.375ｄＢ。中心頻率為 30.0ＭＨｚ時(shí)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(diǎn)上出現(xiàn)不同的值, 原因之一是通過(guò)改變電容值來(lái)改變中心頻率, 另一個(gè)原因是在仿真的過(guò)程中 , 把 Ｌ 3 設(shè)定為一個(gè)固定值 , 因而在頻率的高端出現(xiàn)了過(guò)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), 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(jié)果中還可以看出通過(guò)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(guò)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 ?？偟膩?lái)說(shuō) , 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 ～ 6ｄＢ)、 帶寬 (1 ～4ＭＨｚ), 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 ＮｏｉｓｅＡｍｐｌｉｆｉｅｒ, 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(guò)載, 產(chǎn)生非線性失真 ,增益又不能過(guò)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 。

2.2.1ＬＮＡ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(shuō)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(wú)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

若 Ｋ>1, 則主動(dòng)元件無(wú)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。 ?

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(shù)

圖 8 高增益下LNA的噪聲系數(shù)

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(shù)

圖 11 低增益下LNA的噪聲系數(shù)

從仿真結(jié)果分析, 所設(shè)計(jì)的低噪聲放大器, 有較好的增益的同時(shí), 增益平坦度較高, 噪聲系數(shù)也很小, 高增益下 ＮＦ<4.5ｄＢ, 低增益下 ＮＦ<2.9ｄＢ,滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求, 具有良好的實(shí)用性, 可靠性。 ?

3射頻前端的仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的射頻前端的性能, 在 ＡＤＳ中進(jìn)行仿真測(cè)試, 其增益、 像抗的仿真結(jié)果 , 如表 1所示。 表 1射頻前端的仿真結(jié)果

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。

審核編輯 ：李倩