寬帶跳頻接收單元電路的實現(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來的高頻信號處理成10.7MHz的中頻信號給計算機采樣計算。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

本級混頻器采用MINI_CIRCUITS公司的TFM_12MH，具體性能指標(biāo)見圖2。由于RF輸入信號電平高達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13dBm，因此應(yīng)注意到LO泄漏對系統(tǒng)的影響。第一本振單元要實現(xiàn)系統(tǒng)的頻率跳變，并與RF實現(xiàn)570MHz和70MHz的兩類中頻輸出。這里因為RF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。這里要實現(xiàn)頻率跳變步徑≥2MHz時的變化。由于篇幅和保密限制，頻段的劃分與LO的實現(xiàn)這里不再贅述。

第二混頻單元

開關(guān) 由于前級有兩路中頻輸出，因此很自然地在這里采用了兩個單刀雙擲開關(guān)——HITTITE公司的HMC348LP3，具體用法見圖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，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，減小對后級、對系統(tǒng)的影響。具體實現(xiàn)電路如圖4。電路效果見圖6。

570MHz低通濾波器 目的同70MHz低通濾波器，具體實現(xiàn)電路和電路效果分別見圖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。

第二級混頻器 本級混頻器采用MINI_CIRCUITS公司的ADE_1MHW，具體性能指標(biāo)見圖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泄漏對系統(tǒng)的影響。第二本振單元要實現(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Π形隔離器，同時也可以作為調(diào)節(jié)電路增益的一個機動之處。并且，為了減小信號反射回混頻器出現(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。同時為了提高線性度，要采用高1dB壓縮點的放大器。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，減小對后級、對系統(tǒng)的影響。同時，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

第三級混頻器 本級混頻器采用MINI_CIRCUITS公司的ADE_1L，具體性能指標(biāo)見圖11。

圖11：混頻器ADE_1L性能指標(biāo)

由于此時RF輸入信號較小，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。第三混頻單元要實現(xiàn)系統(tǒng)的頻率在100Hz到2MHz內(nèi)的頻率跳變輸出。

第三級混頻器之后的放大和濾波 由于RF的電平太低，這里需要兩級放大器級聯(lián)，保證理想的輸出電平。如前所敘，放大器要采用高1dB壓縮點的寬帶放大器。前級放大采用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，減小對后級及系統(tǒng)的影響。其電路圖及效果圖分別見圖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

為了減小兩級放大器的不匹配而引起的性能惡化，我們在放大器ADE_1MHW之間加了一級Π形隔離器，同時也可以作為調(diào)節(jié)電路增益的一個機動之處。

后級放大器采用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，減小對后級、對系統(tǒng)的影響，放大器之后再加了一級10.7MHz低通濾波器，其電路圖及效果分別圖12和圖13。同時為了濾除通帶近端的雜散和降低噪聲，還加了一級10.7MHz的帶通濾波器。其效果圖見圖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現(xiàn)頻率范圍為0.5~1,000MHz、頻率分辨率為100Hz、跳變時間為36μs的RF信號變換為10.7MHz的接收功能。電路的頻率跳變是這樣來實現(xiàn)的：當(dāng)頻譜大于2MHz的時候，由第一級混頻來實現(xiàn)頻率的跳變，因為鎖相環(huán)(PLL)本振在窄帶時頻率跳變比較慢，而在寬帶時可以達到快速的響應(yīng)時間。當(dāng)頻譜寬度小于2MHz的時候，由第三級混頻來實現(xiàn)頻率的跳變，這里是采用直接頻率合成器(DDS)來實現(xiàn)本振的，它可以達到ns級的頻率跳變時間。只是要注意控制好它的雜散響應(yīng)。通過這樣的分頻響應(yīng)，就可以實現(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。