接收机中的射频前端设计技术

一、前言

现代民用及军用设施使用电子设备繁多，电磁环境复杂，相互干扰严重。一般地，车、船和飞机上的通信设备收发机都集成在一起。以短波通信设备为例，发射机的残余信号在接收机输入端产生的电平达120dBµV（即13dBm）或更高。而接收机所需接收的微弱信号电平可能仅-6～0dBµV（即-117～-113dBm）。因此，要求接收机处理的信号动态范围高达120～126dB。另外，高电平干扰信号与所接收信号频率仅相距数十千赫，所以，高电平干扰信号和它们在接收机中产生的互调产物会严重影响接收机的输出信噪比。为了降低这种影响，就要求接收机具有以下性质：

· 高选择性，接收机的动态范围尽可能要大；
· 高线性，在信道滤波之前，降低带外高电平干扰信号在信道滤波器通带内产生的互调产物；
· 极低的本振相位噪声，以免邻近的干扰信号将本振噪声转换到接收机信道带宽内。

作为接收机重要组成部分的接收机射频前端是接收机动态性能的关键部件，它工作于中频放大器之前。诸如动态范围、互调失真、-1dB压缩点和三阶互调截获点等，都与接收机前端的性能有直接关系。本文以下将介绍接收机中的射频前端设计技术。

二、射频前端的几种结构

1、最简单的射频前端结构

接收机前端电路有几种不同的结构。图1示出了一种最简单的形式。这种结构无射频放大器，在带通滤波器之后，只有混频器和本机振荡器。带通滤波器的输入来自天线，其输出经过混频器到达中频放大器进行后续处理。

图1  简单射频前端结构

这种结构的主要特点是：第一，在实现中所需成本比其它结构少；第二，避免由于处理无用的能量而消耗混频器的动态范围。

带通滤波器具有良好的前向性能（在通频带范围内）和良好的反向隔离性能。这样可以防止本振信号能量辐射到天线，进而避免天线辐射这些信号能量。带通滤波器有三个主要任务：

· 限制输入信号的带宽以使互调失真最小；
· 削弱乱真响应，主要是镜象频率和1/2-中频频率问题；
· 抑制本机振荡器辐射到天线的能量。

2、稍微复杂的前端结构

第二种前端结构如图2所示。这种结构使用了一个射频放大器。该射频放大器的增益较低--一般低于20dB。高于20dB的增益可能会使系统稳定性受到损害，并且不能达到互调截获点。

图2  使用射频放大器的前端结构

射频放大器的目的是隔离混频器，同时在混频之前将信号放大。这种放大可以补偿混频器和带通滤波器中的损耗。射频放大器的主要特点是改进了混频器/本机振荡器电路与天线电路之间的隔离。

3、更完善的前端结构

第三种结构如图3。与上述两种结构相似，该结构也有混频器和本机振荡器电路，或者是包含混频器和本机振荡器的转换器。该结构与前一种结构的不同之处是增加了一个带通滤波器。

图3  更复杂的前端结构

两个滤波器可以有同样的中心频率，但这并不是最好的设计方法。一般将第二个滤波器的频率调至镜象频率，该频率是射频加上或减去2倍的中频，并与射频信号分别位于本振频率的两边。这样，该镜象频率与射频信号一样，在混频器中经过同样处理，因此可以作为有效信号在系统通过。

第二个带通滤波器也能削弱接收机的其它乱真响应和直接中频提取。此外，还削弱了在射频放大器中产生的噪声，防止噪声到达混频器。

同时，第二个带通滤波器抑制了在射频放大器中产生的第二谐波能量，从而改进了接收机的二阶互调截获点。

在高频范围，该滤波器没有反向响应。主要原因是混频器对于接收机频率的奇数阶谐波几乎没有响应，因此它们可以通过系统。

射频带通滤波器的性质由第一中频和本振信号的注入端共同决定。如果选择低端注入，某些乱真信号可能在射频信号的低端产生。

在高端注入恰恰相反：所有的乱真信号会处于射频信号的高端。在插入损耗和滤波器的选择之间通常应该做权衡，以利于减少第一个带通滤波器的插入损耗，但是在第二个带通滤波器中可能效益不大。

三、影响射频前端性能的因素

1、混频器/本机振荡器性能

第一个混频器的性能对于接收机的性能至关重要。它是一个非线性设备，而且，还要使用本机振荡器系统中最高电平的射频信号。因此，它需要有非常高的互调截获点。

单设备有源混频器价格便宜，但是它们性能最差。一般来说，无源、双均衡混频器的性能最好。它们通常有最高的互调截获点，而且相对其它某些混频器设计来讲，有更好的噪声均衡特性。表1列出了混频器性能参数和受之影响的接收机性质。

表1 混频器性质对接收机性能的影响