微波接收机的设计

1、微波接收机的设计学院:XXXX学院:XXX班级：XXXXXXXXXX学号：XXXXXXXXXX摘要：微波接收机通过接收被观测场景辐射的微波能量来探测目标的特性，其合理设计是微波遥感探测定量化应用的基础。本文对微波接收机的设计方案和步骤进 行了论述，简要设计了一个全功率超外差型微波接收机系统。关键词：微波 接收机 增益微波接收机的基本功能就是从天线接收到的随机信号中提取出比接收机部 噪声低很多的表征背景目标特性的微波辐射信号。微波接收机必须保证系统的频 率、带宽、测温灵敏度、积分时间、线性相关系数和增益稳定度等参数，因此接 收机的精心设计和研制是保证整机性能指标实现的一大关键。接收机的功能有：

2、把从天线传入的微弱信号放大转换为 A/D采样器所需的电平。 把目标信号从噪声和干扰信号中滤出。 将天线接收的射频信号下变频，降低 A/D的采样频率。 AGC控制。一、接收机关键参数的确定1. 接收机量化噪声、量化信噪比及最大最小增益的计算接收机的输入信号有很大的动态围，确定接收机的放大倍数时，通常会 放大接收机的增益，将最小的输入信号也能足够放大，而在大信号输入时， 利用可变衰减器可以降低增益。接收机的最大增益取决于最小输入信号 等效噪声输入功率和A/D的量化噪声性能。对于一个幅度与最大电平匹配的正弦波，电压在负载1上的时间平均功率是也就是A/D的最大允许输入功率，即放大器的最大输出功率恳量化

3、噪声是实际信号值和量化噪声值之间的误差，是一个分层电平之间 随机的值，平均量化噪声功率为：P叫-2NT 二 PdBm)-3(2N-3)(dB)-UdB (1)其中，为A/D的分辨率。假定输入A/D的信号中没有噪声，最大信号是'w，这时的量化信噪比最大，可表示为P 2S吩* = 3 丹（2）N、 2"用分贝表示为SNR =6/V + L76（dS）（3）可见量化信噪比可以通过提高 罔来改善。对于】 位的A/D量化信噪比约为 '0当输入信号小时，量化信噪比也相应减小，对于最小信号Pn输入的情况,量化信噪比也最小，可表示为PSNR= - =化讪9亦）-P网耿（曲咖十S （加

4、- 3）Cd）十UdB （4）因为有P =P Goniui iiiiui maxk z因此可以确定接收机最大增益了。可分两种情况来确定：情况一：接收机输入端最小信号（广:.皿:1）小于等效输入噪声（寻）这种 情况下，如果为了提高A/D的量化信噪比而提高接收机增益，就会使接收机的输 出噪声功率增大，超过 A/D的动态围。所以，确定接收机最大增益的原则是： 接收机的噪声输出电平（）比A/D的最大允许输入电平小3：',这样就可以得到P灿=Pni+ £兰如吋写成分贝的形式就有对最小输入信号，接收机的输出就是，若按 计算的量化信噪比达不到跑淵，就需要加大A/D的位数来减小量化电平，提高

5、量化信噪比。情况二：接收机输入端最小信号（：v）大于等效输入噪声的情况。这 种情况下，可以大一些以保证信号经过 A/D之后有足够高的量化信噪比，一 般达到：；就可以了。根据式 UofSl可得-咒）+ ax（m）-3 - （2/V -町（山（8）确定接收机最小增益的原则就是将接收机的最大输入信号放大到A/D的最大允许输入电平，写成分贝的形式就是|% = %川加）一卫加）碍）2. 接收机的一般结构接收机的一般结构如图1所示。可主要分为三级： LNA（低噪声放大器）级：决定系统的噪声性能。 MIX （混频器）级：数控衰减器的作用是在大信号输入时进行衰减，降低系统的增益，防止后级饱和。 IF （中频）

6、级：二次变频的作用是防止在同一频率上增益太高，放大器可能自激，导致系统不能稳定工作，当系统总增益小于：时，一次变频就可以了。图1接收机的一般结构3. 滤波器的考虑 射频滤波可以放在LNA的前面，主要作用是滤除杂波和干扰信号。一般 来说滤波带宽比信号带宽宽得多，这样也容易研制。 紧跟在LNA后面的滤波器主要是滤除镜像频率，一般带宽也可以比信号 带宽宽很多，利于研制。 中频频率也就是混频器以后的滤波器的作用是抑制混频器产生的多种不 需要的变频频率分量。频带比较窄，与信号的频带相匹配，因此也滤除 了信号频带外的噪声。系统噪声带宽由它决定。4. 接收机噪声系数和噪声温度噪声系数是表征一个部件（如放大器

7、、混频器、传输线或整个接收机） 部噪声大小的一个物理量。当一个噪声通过一个部件或系统时，由于该部件 或系统本身存在噪声，使得该部件输出端口的信噪比相对输入端口有所下降， 部件的噪声系数定义为输入端口的信噪比与输出端口信噪比之比：(10)p /p so no一个有噪声的部件可以等效为一个无噪声的部件，并把它的噪声折合到输入端，其等效的输入噪声温度为 几，可以推出部件的噪声系数的大小与信号的功率无关，即匚(F-卯叽由于'的定义与F匝有关，这样就不能唯一地表示部件的噪声特性，所以一般规定5 =皿。和.都是表征部件噪声特性的量，二者是等效的。5. 频率综合器晶振和频率综合器包括一个咼稳定的晶体

8、振荡器，其频率稳定度由系统 的性能能要求决定，还包括一系列的倍频和分频电路，产生收、发系统所需 的各种频率成分，这些频率都是相干的。它们都来自一个源头，即高稳晶振, 都有相同的频率稳定度。这样的接收机也称为相干接收机。6. I/O正交解调器信息调制在载波上是为了信号传播的需要。载波并不含有信息量，所以 可以通过相干混频器把信号的载波频率混掉。相当于把信号频率的中心频率搬到零频，这样信号的频带就缩小一半，就降低了对A/D的要求。但信号的频谱就出现了负频率，必须用I/O正交解调器来解调这个信号。如果一个窄带信号可表示为：S(t)二 £i(t)cos 叫t + (t) = Z|u(r)J呼

9、十 u ' (t)e '叫(11)2 *u(t) = ti(OeWr)(12)中包含了信号 ；的全部信息量。斗/畑芒11通过低通滤波器取出ut),滤出高次项m'Oe，从而得到:5(t)e= )cos (少声)+ )5(05111(3jt) = -u(C) + -u"(13)u(t) = a.= a(t)cos 0(t) + Ja(t)sin (t) = / + jQ (14)实现正交解调的条件是本地要有一个相干信号(叫。正交解调也可直接将中频信号采样后，在数字域进行接收机设计步骤 根据系统参数计算接收机的最大输入信号功率，最小输入信号功率 'i'

10、;,等效噪声输入功率丨k。 根据A/D的最大允许输入电平计算接收机的最小总增益：気=卩“艸柯-卩”捉“环)仙)( 如果接收机输入的最小功率大于等效输入噪声功率，则由下式计算最小 输入A/D的信号电平：戸矗=30(dBm) + Pomax(dBm) - 3 - (2JV - 3)(d6) - AldB (16) 计算接收机的最大总增益=3询 *=孔仙)+ PdBm) - 3 (2N-3)(dF)-：(17) 如果接收机输入的最小功率小于等效输入噪声功率，则按下式确定接收 机最大增益： 计算接收机的最小输出信号并计算最小信号经A/D后的量化信噪比：SNRp = P碍(如耐一 PM昨 + 3 - (

11、2M - 3)(dB如果'就可以了，如果厂 ：则需要提高冋来增加。 根据接收机的最大总增益确定接收机的结构。如果最大总增益大于 ，贝U应采用二次变频方案，如果最大总增益小于 9%,贝咏用一次变频方案。 确定增益控制围，按下式计算気(2°)增益控制一般采用数控衰减器，控制精度1叹E，控制信号由数据处理器提供。 放大链路的增益分配低噪放的增益一般为： 之间，其余增益在混频器以后的第一中放和第二中放提供，数控衰减器放在第一混频以后的中间，衰减最 小时接收机的增益最大，当输入信号增大时，衰减器起控，增益降低， 使接收机输出不饱和，也不会超过 A/D的最大允许输入电平。 确定各级滤波器

12、的特性，射频滤波器频带较宽，主要功能是滤除杂波和 镜像频率，中频滤波器频带由信号带宽确定，滤除信号以外的噪声和混 频器产生的杂波。?确定本振频率，一般接收机的本振频率应和发射机的上变频频率相对应。 混频后的中频频率应和信号的带宽相适应。采用正交解调方式时本振频 率和信号的载波频率完全相同(相干)。?画系统框图，计算链路中各级放大器的输入、输出电平，确定各级放大 器的动态围。如果要求放大器的动态围太大，则应重新分配链路增益。三、超外差式接收机设计超外差式接收机电路上实现方便，增益稳定，具有抗干扰性。本方案选 用全功率超外差型接收机。采用加置低噪声放大器、共本振单边带方式，可 以降低噪声系数，消除

13、本振及其谐波对另一极化接受通道的干扰。设置步进 增益控制，当接收机输出超过某一设定的围时，改变增益控制电压，调整接 收机输出，从而保证接收机在长期工作时的输出电压不会超出要求的围。 系统把从天线馈源进入的信号，经接收机输入端的低噪声放大器放大，与本振进行混频，获得带宽为、增益为二的检波前部分，其输出电压和输入功率成比例的平方律检波器和低放积分器部分。输出电压可以与带宽必上经在积分时间T进行平均的输出功率建立相应关系。1.技术指标分析计算辐射计等效表示如图2所示前鄒分图2辐射计等效表示图天线噪声温度：rA = nr4 + (l- r!)T0(21)式中：n|天线效率；无损天线观察到的场景的天线辐

14、射温度；?0天线的物理温度。传输线和接收机组合的输入噪声温度如图 3所示:厂传输线Trec = (£-1)丁。+ 码血接收机(22)式中:传输线损耗因子;?0传输线物理温度；Tree = (NFrfc-1)Tq接收机等效噪声输入温度。则系统噪声温度：sys = 5 + T rec(23)由于接收机的动态围为 汰飞50K|,可取卩300K ；除天线外，整个通道恒温在的环境中，所以Td = 300K，此时:TA = , + (1- q)T0= T,(24)TSYS =+ T REC接收机的灵敏度计算公式：(25)AT =+()7|2恥EtG(26)式中：0接收机的中频带宽;T 接收机的积

15、分时间。表1给出了接收机的噪声系数和传输线损耗及相应的各级等效噪声温 度。表1接收机技术参数3A(常温)3.9(高温)传输线损耗11|2增益估算接收机检波前总增益的计算公式为:(27)£SYSBa式中，I ,是玻尔兹曼常数，单边带时双边带，增益计算结果见表2。dI *_*表2接收机增益计算结果1巩曲1900,826.27G(dB|603.增益分配UM(dB)20F3(朋)|484.振荡器采用反馈型，介质谐振器放在栅极和漏极传输线之间，调试简单，一致性好，频带宽，输出功率大，单电源供电。其电路拓扑如图4所示00根据表2的计算结果，接收机各级增益分配见表 3表3接收机各级增益分配图4反馈

16、型DRO电路原理图图4所示的电路中，微波功率入射到 FET栅极，被放大的微波功率由漏极输出，其中一部分由漏极微带线、栅极微带线和介质谐振器组成的反馈网络反馈到栅极构成正反馈形成振荡，振荡频率取决于反馈网络 的选频特性，也即介质谐振器的谐振频率，故频率稳定度也决定于介质 谐振器的频率稳定度，从而得到稳频的效果。5.中放组件的设计根据中放频率和带宽，中频放大器选用超高频宽带集成放大器，输 出滤波器采用设计软件设计后，集成在腔体，减少了高频滤波器的体积, 其电路示意图如图5所示。一 耗滩放大一-衰诫一濾波一族大一检波图5中放组件示意图对中放电路中的衰减器进行增益控制，当输出电压超出要求的围时改变接收机增益，使输出电压调整到要求的围。6.平方律检波器的设计平方律检波器是把功率转换成电压的关键电路，平方律的实现主要取决 于检波管本身的性能和工作围的选取。采用低势垒肖特基检波二极管作核心器件，辅以外围电路构成平方律检波器。检波二极管在零偏置条件下具有很 好的平方律特性和检波灵敏度，其典型参数见表4。表4检波二极管典型参数检波二极管_最大正向压降正切灵敏度电压灵敏度烧毁功率2H10673|-5血" |1刚当正向压降大于:，检波管进入线性区，因此要使检波器工作在平方律围，必须保证正向压降小于20山叩。四、总结