寬帶跳頻接收單元電路的實(shí)現(xiàn)

介紹的寬帶跳頻接收單元電路的主要功能是把輸入端傳送過(guò)來(lái)的高頻信號(hào)處理成10.7MHz的中頻信號(hào)給計(jì)算機(jī)采樣計(jì)算。其主要指標(biāo)如下：

1. 頻率范圍：500kHz~1,000MHz；

2. 輸入電平：低于0dBm；

3. 輸入阻抗：50Ω；

4. 中頻輸出：10.7MHz；

5. 輸出電平：7dBm±3dB。

接收電路主要由一系列的微波功能模塊(放大模塊、濾波器模塊、混頻模塊、微波開(kāi)關(guān)、DDS、本振環(huán)、控制單元等)構(gòu)成，其主要方框圖如圖1所示。

第一混頻單元

本級(jí)混頻器采用MINI_CIRCUITS公司的TFM_12MH，具體性能指標(biāo)見(jiàn)圖2。由于RF輸入信號(hào)電平高達(dá)0dBm，因此要采用高電平的本振，提高系統(tǒng)性能。由于本器件本振電平高達(dá)13dBm，因此應(yīng)注意到LO泄漏對(duì)系統(tǒng)的影響。第一本振單元要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的頻率跳變，并與RF實(shí)現(xiàn)570MHz和70MHz的兩類中頻輸出。這里因?yàn)镽F的頻率跨度太大，要分頻段混頻，所以一部分先混頻到570MHz，再與500MHz本振混頻，下變頻到70MHz；另外一部分頻段直接混頻到70MHz。這里要實(shí)現(xiàn)頻率跳變步徑≥2MHz時(shí)的變化。由于篇幅和保密限制，頻段的劃分與LO的實(shí)現(xiàn)這里不再贅述。

第二混頻單元

開(kāi)關(guān) 由于前級(jí)有兩路中頻輸出，因此很自然地在這里采用了兩個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)——HITTITE公司的HMC348LP3，具體用法見(jiàn)圖3。其隔離度優(yōu)于-55dB，插損小于0.6dB。注意，該器件有50Ω和75Ω兩種型號(hào)，這里都是用的50Ω系統(tǒng)。器件的Vdd=5V，CTRL高電平(2~5V)有效，低電平(0~0.8V)為OFF。

70MHz低通濾波器 該LPF的目的是為了濾除第一級(jí)混頻之后所出現(xiàn)的不需要的互調(diào)、交調(diào)、鏡像頻率以及諧波，減小對(duì)后級(jí)、對(duì)系統(tǒng)的影響。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖4。電路效果見(jiàn)圖6。

570MHz低通濾波器 目的同70MHz低通濾波器，具體實(shí)現(xiàn)電路和電路效果分別見(jiàn)圖5和圖7。這里并聯(lián)到地的83.5pF的電容是由高精度的兩電容并聯(lián)構(gòu)成，其值分別為82pF與1.5pF。

第二級(jí)混頻器 本級(jí)混頻器采用MINI_CIRCUITS公司的ADE_1MHW，具體性能指標(biāo)見(jiàn)圖8。這里同樣采用高電平(13dBm)的本振提高系統(tǒng)性能，但應(yīng)注意LO泄漏對(duì)系統(tǒng)的影響。第二本振單元要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率由570MHz變換到70MHz的中頻輸出。500MHz的本振這里不再贅敘。

第二級(jí)混頻器之后的放大和濾波 為了減小后面放大器與混頻器之間的不匹配對(duì)混頻器的反射而引起的性能惡化，因此在放大器和ADE_1MHW之間加了一級(jí)Π形隔離器，同時(shí)也可以作為調(diào)節(jié)電路增益的一個(gè)機(jī)動(dòng)之處。并且，為了減小信號(hào)反射回混頻器出現(xiàn)再混頻而引起的互調(diào)，這里采用寬帶放大器，可以增加反向隔離度。同時(shí)為了提高線性度，要采用高1dB壓縮點(diǎn)的放大器。寬帶放大器采用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、偏置電流為60mA。由于系統(tǒng)采用12V電壓供電，因此偏置電阻采用110Ω的標(biāo)稱值，高頻扼流圈RFC采用線繞線圈。具體電路見(jiàn)圖9。其后的濾波器仍采用前面的70MHz低通濾波器。

兩路70MHz的選通及放大濾波 選通開(kāi)關(guān)仍然采用HITTITE公司的HMC348LP3。放大器采用MINI_CIRCUITS公司的MAR-8SM，它在70MHz的增益為33dB、P-1OUT=12.5dBm、偏置電壓為7.8V、偏置電流為36mA。由于系統(tǒng)采用12V電壓供電，因此偏置電阻采用120Ω的標(biāo)稱值，高頻扼流圈RFC采用線繞線圈。

圖1：寬帶跳頻接收單元電路主要由一系列的微波功能模塊構(gòu)成

圖2：混頻器TFM_12MH性能指標(biāo)

圖3：MC348LP3的電路應(yīng)用

圖4：70MHz低通濾波器電路圖

圖5：570MHz低通濾波器電路圖

圖6：0MHz低通濾波器

圖7 ：570MHz低通濾波器

圖8：混頻器ADE_1MHW性能指標(biāo)

圖9：MAV-11SM電路應(yīng)用

其后的濾波器先采用前面的70MHz低通濾波器，濾除由于放大器的非線性所出現(xiàn)的不需要的雜波以及本身的諧波，減小對(duì)后級(jí)、對(duì)系統(tǒng)的影響。同時(shí)，為了保證系統(tǒng)的2MHz的帶寬，并減小載頻近端的雜散和噪聲影響，在這里用了一個(gè)中心頻率為70MHz，帶寬為2.1MHz的聲表面波濾波器，其插損為24.5dB，帶外抑制40dB。應(yīng)用電路如圖10所示。

圖10：ASWF的應(yīng)用電路

第三混頻單元

第三級(jí)混頻器 本級(jí)混頻器采用MINI_CIRCUITS公司的ADE_1L，具體性能指標(biāo)見(jiàn)圖11。

圖11：混頻器ADE_1L性能指標(biāo)

由于此時(shí)RF輸入信號(hào)較小，因此不需要采用高電平的本振，減小LO的泄漏，提高系統(tǒng)性能。其中頻輸出的中心頻率為10.7MHz。第三混頻單元要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的頻率在100Hz到2MHz內(nèi)的頻率跳變輸出。

第三級(jí)混頻器之后的放大和濾波 由于RF的電平太低，這里需要兩級(jí)放大器級(jí)聯(lián)，保證理想的輸出電平。如前所敘，放大器要采用高1dB壓縮點(diǎn)的寬帶放大器。前級(jí)放大采用MINI_CIRCUITS公司的ERA_8SM。它在10.7MHz的增益為33dB、P-1OUT=12.5dBm、偏置電壓為3.2~4.2V、偏置電流為36mA。由于系統(tǒng)采用12V電壓供電，因此偏置電阻采用240Ω的標(biāo)稱值，高頻扼流圈RFC采用線繞線圈。

放大器之后的10.7MHz低通濾波器用于濾除由于放大器的非線性所引起的雜波以及本身的諧波，減小對(duì)后級(jí)及系統(tǒng)的影響。其電路圖及效果圖分別見(jiàn)圖12和圖13。

圖12：10.7MHz低通濾波器電路圖

圖13：10.7MHz低通濾波器

為了減小兩級(jí)放大器的不匹配而引起的性能惡化，我們?cè)诜糯笃鰽DE_1MHW之間加了一級(jí)Π形隔離器，同時(shí)也可以作為調(diào)節(jié)電路增益的一個(gè)機(jī)動(dòng)之處。

后級(jí)放大器采用MINI_CIRCUITS公司的ERA_5SM。它在10.7MHz的增益為23dB、P-1OUT=18.4dBm、偏置電壓為4.2~5.5V、偏置電流為65mA。由于系統(tǒng)采用12V電壓供電，因此偏置電阻采用110Ω的標(biāo)稱值，高頻扼流圈RFC采用線繞線圈。

為了濾除由于放大器的非線性所出現(xiàn)的不需要的雜波以及本身的諧波，減小對(duì)后級(jí)、對(duì)系統(tǒng)的影響，放大器之后再加了一級(jí)10.7MHz低通濾波器，其電路圖及效果分別圖12和圖13。同時(shí)為了濾除通帶近端的雜散和降低噪聲，還加了一級(jí)10.7MHz的帶通濾波器。其效果圖見(jiàn)圖14。此外，本單元電路還有本振環(huán)、控制單元等，電源由系統(tǒng)提供，電源去耦和PCB的布線要特別注意。

圖14：10.7MHz的帶通濾波器

綜上所述，本文所介紹的單元電路可實(shí)現(xiàn)頻率范圍為0.5~1,000MHz、頻率分辨率為100Hz、跳變時(shí)間為36μs的RF信號(hào)變換為10.7MHz的接收功能。電路的頻率跳變是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的：當(dāng)頻譜大于2MHz的時(shí)候，由第一級(jí)混頻來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的跳變，因?yàn)殒i相環(huán)(PLL)本振在窄帶時(shí)頻率跳變比較慢，而在寬帶時(shí)可以達(dá)到快速的響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)頻譜寬度小于2MHz的時(shí)候，由第三級(jí)混頻來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的跳變，這里是采用直接頻率合成器(DDS)來(lái)實(shí)現(xiàn)本振的，它可以達(dá)到ns級(jí)的頻率跳變時(shí)間。只是要注意控制好它的雜散響應(yīng)。通過(guò)這樣的分頻響應(yīng)，就可以實(shí)現(xiàn)36μs的頻率跳變了。該系統(tǒng)可以用于寬帶頻率跳變接收系統(tǒng)，尤其是頻譜儀的接收單元。