（电磁场与微波技术专业论文）射频微波接收组件及其dds本振源的研究.pdf

摘要 摘要 直接数字频率合成技术( d d s ) 的出现是频率合成技术的一次革命。d d s 由相位 累加器、正弦波形r o m 、d a c 以及外加滤波器构成。d d s 具有频率转换速度快、 频率分辨率高、频率切换中保持相位连续、易于实现多种调制功能、易于微处理 器控制等优点。d d s 技术近年木j | 导到了飞速发展，在雷达、通信、电子对抗和仪 器仪表检测等方面的应用也愈加广泛。 本文利用d d s 技术研制宽带快速扫频频率源( 5 7 9 3 1 0 6 1 3 m h z 和4 0 7 0 - - 6 0 7 0 m h z ) 为项目中的接收组件( 3 0 5 1 2 m h z 和4 - - 6 g h z ) 提供本振源。首先 从工作流程和数学分析两个方面对d d s 基本构造和工作原理进行了系统分析。因 为实际上的d d s 输出特性并不理想，因此全面把握d d s 的内部特征是很必要的。 故而本文以频率规划为基本思想着重分析了实际参数d d s 的输出频谱特性，介绍 了在d d s 输出频谱中由各杂散源造成的杂散的位置和幅度的预测方法。 在以上研究的基础上，本文合适选择a d 9 8 5 8 的输出频带，通过放大滤波、 混频滤波、倍频一滤波的方案把信号信号的频率和带宽加大，实现基于d d s 技术 的5 7 9 3 1 0 6 1 3 m h z 和4 0 7 0 6 0 7 0 m h z 频率源的设计、加工。前者实物尺寸为 1 1 8 1 1 8 2 9 i 砌3 ，后者实物尺寸为1 8 0 x1 5 8 x 2 8 n 1 h 1 3 ，测试结果表明倍频链路 具有良好性能。 两个接收组件均采用超外差结构，根据各自的指标情况和现实器件的选取， 分别使用一次变频方案和二次变频方案。一次变频的组件中使用镜频抑制混频器 和外接9 0 。电桥实现组件的镜频抑制，二次变频的组件中使用滤波器实现组件的镜 频抑制，测试表明两组件均有4 0 d b 的镜频抑制功能。两组件的中频电路相同，均 采用a d 8 3 0 9 对数放大器，实现大动态范围的对数压缩，测试表明两组件动态范 围达5 0 d b 。实物尺寸分别是5 4 5 3 x1 4 m m 3 和6 1x 3 1 1 8 m m 3 。测试结果表明两 接收组件基本满足预订技术指标。 关键字：微波，接收组件，对数放大器，d d s ，扫频源二 a b s t r u c t a b s t ra c t t h ed i s c o v e r yo ft h ed i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e ri sar e v o l u t i o ni nt h e d e v e l o p m e n t o f f r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n i q u e , w h i c hc o n s i s t so f t h ep h a s ea c c u m u l a t o r , t h es i n el o o k - u pt a b l e ，t h ed i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e ra n dt h el o wb a n df i l t e r d d si so f f a s t f r e q u e n c ys w i t c h i n gs p e e d , h i 曲f r e q u e n c yr e s o l u t i o n ，t h ef u n c t i o nt os w i t c h f r e q u e n c i e sw h i l em a i n t a i n i n gc o n s t a n tp h a s e i ti sv e r yc o n v e n i e n tt oa c h i e v em a n y k i n d so fm o d u l a t i o n sa n dt ob ec o n t r o l l e db ym i c r o - p r o c e s s o r t h ed d st e c h n i q u eh a s g a i n e di t sr a p i dd e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s ，w h i c hw i l lb ea p p l i e dm o r ea n dm o r e e x t e n s i v e l yi ns u c hf i e l d sa sr a d a r , c o m m u n i c a t i o n s , e l e c t r o n i cw a r f a r ea n de l e c t r o n i c m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t s b r o a d b a n da n dh i 曲s p e e ds w e e ps o u r c e ( 5 7 9 3 - 10 6 1 3 m h za n d4 0 7 0 - 币0 7 0 m h z ) h a v e b e e nd e s i g n e db yd d s t e c h n o l o g yi nt h i sp a p e r , w h i c hw i l lb eu s e dl o c a ls o u r c eo f r e c e i v e rm o d u l e ( 3 0 - 51 2 m h za n d4 6 g n z ) f i r s t l y , t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h e e s s e n t i a lc o n f i g u r a t i o na n dt h ew o r k i n gm e c h a n i s mo fd d sf r o mt h et w oa s p e c t so f o p e r a t i o n a lf l o wa n dm a t h e m a t i c s ，a n dp r o b e si n t ot h es p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i co fd d s o u t p u ti ni d e a lc a s e s s i n c et h ei n h e r e n ts p u rp e r f o r m a n c eo fd d si sn o ti np e r f e c t c o n d i t i o n , s o ，i no r d e rt om a k ed d sw o r ke f f e c t u a l l y , i ti sv e r yn e c e s s a r yt ou n d e r s t a n d t h es p u rp e r f o r m a n c eo fd d s f u l l y s o ，b a s e do nt h et h o u g h t f u l n e s so ff r e q u e n c yl a y o u t ， t h i sp a p e ra n a l y z e st h es p e c t n m ac h a r a c t e r i s t i co fd d so u t p u ti np r a c t i c a lc a s e sa n d i n t r o d u c e st h el o c a t i o na n da m p l i t u d eo fs p u r sc a u s e db yv a r i o u ss p u rs o u r c 髓 u n d e rt h ek n o w l e d g eo fa b o v e ，b ys e l e c t i n g p r o p e rf r e q u e n c yb a n do f a d 9 8 5 8a n d u s i n ga m p l i f y - f i l t e r m i x e r - f i l t e r m u l t i p l i e r - f i l t e rt e c h n o l o g y , t w of r e q u e n c ys o u r c e s 5 7 9 3 - 10 61 3 m h za n d4 0 7 0 - - , 6 0 7 0 m h za l ed e s i g n e da n dm a c h i n e d , a n dt h ed i m e n s i o n o ft w of r e q u e n c ys o u r c e si s118 118 2 9 m m 3a n d18 0 * 15 8 2 8 m m 3 a te n d ，t h et e s t r e s u l tp r o v e dt h a tt h em u l t i p l i e rc i r c u i tg e t sg o o dp e r f o r m a n c e t h es u p e rh e t e r o d y n es t r u c t u r eh a v et e s t i f i e dw e l lf o rt w or e c e i v e rm o d u l e ( 3 0 - - - 51m h za n d4 6 g h z ) ，w h i c hb es e l e c t e do n c ea n dt w i c em i x e rt e c h n o l o g y i nf i r s t m o d u l e v qm i x e ra n dq u a d r a t u r eh y b r i da r eu s e df o rt h et a r g e to fa c h i e v eg o o di m a g e f r e q u e n c yr e j e c t i o n b u ti nt h es e c o n dm o d u l e ，h i g hq f i l t e ri su s e df o rt h i st a r g e t t h e t e s tr e s u l ts h o w e dt h a tt w or e c e i v e rm o d u l e sh a v e4 0 d bi m a g ef r e q u e n c yr e j e c t i o n t h e i fc i r c u i t so ft w om o d u l e s ，a c h i e v e5 0 d bd y n a m i cr a n g eb ya d 8 3 0 9 ，a r et h es a m e a t a b s t r u c t e n d ，t h ed i m e n s i o no ft w or e c o v e r m o d u l e si s5 4 5 3 14 m m 3 a n d61 3 1 18 m m 3 ，a n d t h et e s tr e s u l tp r o v et h a tt w or e c e i v e rm o d u l e sa c c o m p l i s ht h ee n g i n e e r i n gd e m a n d k e yw o r d s ：m i c r o w a v e ，r e c e i v e rm o d u l e , l o g a r i t h m i ea m p l i f i e r , d d s ，s w e e p s o u r c e i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 日期：、。阵r 月弓d 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：娃导师签名： 日期：、一。踔g 月) 7o e t 第一章绪论 1 1 微波电路的发展现状 第一章绪论 作为通信系统中很重要的一个子系统，接收机的发展是伴随着科学技术的进 步而发展的。总体来说，无论是在军用，还是在民用的无线通信中，接收机的发 展状况可从以下几个方面来讨论。 1 、半导体技术的发展 随着半导体制造技术的高速发展，m m i c 单片微波集成电路( m o n o l i t h i c m i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t ) 突破传统以陶瓷材料为衬底的混合微波集成电路 ( m i c ) 发展起来u 1 。在这类器件中，作为反馈和直流偏置元件的各个电阻器都采 用具有高频特性的薄膜电阻，并且与各有源器件一起封装在一个芯片内，这使得 各零件之间几乎无连接线，从而使电路的感抗降至最低，且分布电容也极小，因 而可用于在工作频率和频宽都很高的场合中。目前，m m i c 工作频率可以做到 6 0 g h z ，频宽也已达1 5 g h z ，所有的发射机或接收机的射频和中频电路都可以应 用。 根据制作材料和内部电路结构的不同，m m i c 可以分成两大类：一类是基于 硅晶体管的m m i c ，另一类是基于砷化镓场效应管( g a a sf e t ) 的m m i c 。基于 两种材料的m m i c 均有良好的发展，但在频率较高时，g a a sm m i c 性能较为突出， 特别是进入毫米波段，一般情况下都采用g a a sm m i c 。与传统的m i c 相比，m m i c 器件有着低成本、高稳定性、高一致性、体积小、工作频率高等优点。它开始主 要应用于军用系统，如相控阵雷达、火箭与导弹的制导和电子对抗等系统。9 0 年 代以来，m m i c 在商用产品中开拓了广阔的市场。目前，不但有大量的m m i c 制 作的器件芯片，越来越多的系统也可以由m m i c 实现，接收系统便是其中之一。 m m i c 的采用，显著减少了设备的体积和重量，降低了造价，提高了性能，取得 了很好的效果。 2 、加工工艺的发展 近年来，微波接收机集成电路广泛采用了一种低温陶瓷烧结技术( l t c c ) 的 加工工艺。这种技术是在多个生瓷片上通过打孔、填金属孔并印制导电带后将生 瓷片叠在一起，在低温烧结后而形成的多层结构的并由通孔连接到陶瓷基片。当 电子科技火学硕+ 学位论文 l t c c 制作完成后，信号线、电源线、地线基本已经在基板上形成了，顶层是所需 焊接到芯片区域以及一些焊点。同时l t c c 技术可以将电路中的电阻和电容等无 源元件与陶瓷共烧，埋入单元结构中。通过l t c c 的加工，可以得到一个带有多 个腔体的l t c c 基片，整个微波电路只要将不同功能的部件放置在适当地腔室中 即可。这样各腔室之间相互独立，不会引起信号之间串扰。信号出入由网中穿过， 相当于一个微型信号窗口通路。这种腔室结构对同种频率达微小型集成具有优越 性。 随着l t c c 技术发展的同时，多芯片组件( m c m ) 技术也被接收机设计广泛 使用。它是实现多功能部件的高密度组装的一种技术。m c m 技术是一种典型的高 级混合集成技术，是混合微电子技术向高级阶段发展的集中体现。m c m 是把多块 裸露的i c 芯片和其他微型元器件( 含片式化元器件) 电连接与同一块共用的高密 度互连基板上，并封装在同一管壳内构成的具有一定部件或系统功能的高密度微 电子组件。m c m 的特点是封装密度高、体积小、重量轻。采用m c m 结构形式是 实现微波毫米波模块微小型化的有效途径。由于在微波频段，各种寄生效应极易 产生，而m c m 把多块裸芯片封装在同一管壳中进行互连，大大缩短了同一电气 网络互连线，从而减少了传输阻抗和电路的各种寄生参数。基板或称衬底是m c m 的基础，它为m c m 提供机械座底，控制组件温度，并为m c m 提供一个衬底。 m c m 产生的热量大部分由衬底耗散掉，衬底还应该承受住因热膨胀引起的机械应 力。微波接收机通过加工工艺的进步，迸步提高了性能，朝着集成化，小型化 的方向发展。 3 、系统仿真软件的发展 微波电路的设计是一件十分复杂而又繁琐的事，早期的设计工作主要凭经验， 选择合适当电路结构和器件后，主要是靠试验调试，即根据测量的结果反复修正 电路，使它满足预定的指标要求。在实际制作电路以前，虽然也作了一些分析计 算，但为了使人工计算能简便的进行，往往采用近似的器件模型，并忽略电路的 一些寄生参量和边缘场效应，致使理论分析和实际的情况有很大的偏差。这种传 统的设计方法带有一定的盲目性且研发时间较长。仿真软件的出现可以无需每次 实际搭建系统或电路就可以估计其设计。它可以通过对微波电路分析、综合以及 优化设计。计算机中对复杂设计的参数进行修改要比搭建、测试、修改电路经济 得多。现在很多商业软件例如a g i l e n ta d s 、a n s o t i 等在系统仿真方面已经做得相 当完善，大大提高了研究效率。 2 第一章绪论 4 、接收机的发展方向 目前随着信息处理能力的快速发展，大量的部件均朝着数字化的方向发展着。 数字中频接收机就可以在数字领域完成信号解调，不需要将信号变换到基带或低 频，避免了低频失调和噪声道影响，并且充分发挥了数字电路的优势。目前，由 于a d 、d a 变换器取样率、数字信号处理能力的限制，大多数频段的射频变换部 分还必须是模拟的。但是随着数字下变频技术的飞速发展，有可能使得在很高中 频频段上不需要模拟器件，可以直接进行数字化下变频处理，这将使接收机的功 能广泛数字化，从而对传统的微波电路造成挑战。 另外，扩频接收机利用各种调制方法将信号调制到很宽度频带上传输，具有 保密性，减少干扰失真等优点。目前，大量的商业和军事上都广泛的应用扩频技 术。 1 2 微波接收机展状况 通信射频接收机的设计也趋于高集成度高性能的方向发展。在高集成度上， 现代接收机采用半导体器件工艺飞速发展带来的高性能，高集成度的芯片，覆盖 频率越来越宽，集成度也越来越高；在高性能上，现代射频接收机主要是向高线 性，大动态范围，高灵敏度，高分辨率等方面发展。随着现代调制解调，d s p 技 术的发展，无线频谱利用日益加剧，对于接收机的线性度、动态范围、灵敏度、 抗干扰能力、适应性等方面的性能和指标提出了越来越高的要求。 1 、国外动态 毫米波前端系统主要由发射机、接收机、信号源、基带信号处理机以及各种 接口设备组成，由于国外工艺较为先进，能将发射机、接收机甚至天线都集成在 一块m m i c 单片上，不但减小了体积，而且一致性极好，且有源模块的m m i c 单 片也很完备，可以用来搭配各种指标的毫米波通信系统。m c m 技术( 多层多芯片 技术) 在毫米波通信里也发挥了它的越来越重要的作用。它大大减小了各种裸芯 片m m i c 之间互连线的长度和信号的串扰，并且由于封装层次的减小带来了电子 产品可靠性的提高，使得系统向着高密度化、小型化、轻型化发展。 为满足毫米波近距离接入系统的高速数据交换的需要，日本n e c 公司制作了 7 2 g h z 的l t c c 自差式的收发系统，总大小约为8 9 r a m 8 3 r a m 瞄。在中频为4 4 g h z ， 射频为7 2 4 g h z 的时候，发射模块的输出l d b 压缩点的功率为6 6 d b m ，输出信号 3 电子科技大学硕士学位论文 经w r - 1 5 波导耦合至天线；接收模块采用自差式混频器，避免了本振相位噪声的 影响，输入的一4 0 d b m 的双音信号分别为7 1 8 g h z 和7 2 4 g h z ，输出为5 0 d b m 。 由f e v a i lv l i e t 等人采用u m s 的0 2 5 1 x r n 的p h e m t 管工艺设计了适用于x 波段相控阵雷达的t r 组件m m i c 单片u 1 ，集成了低噪放、中功率放大器等有源 部分和所有的控制功能电路，测试结果显示接收支路的噪声系数在2 2 5 d b 以下， 输出功率高于2 0 d b m 。通过和单片h p a 配合使用，可实现发射信号的高功率放大。 这种单片可以大量使用在相控阵天线单元中。 台湾的c h r i s t i n af j o u 等人采用0 2 5 p r o 的c m o s 工艺制作的5 2 5 g h z 的射频前 端h 1 ，包括差损为2 6 5 d b 的开关，噪声系数为2 9 d b 的低噪声放大器，和输出p l d b 为1 5 d b m 的功放，输入输出已作匹配，可以直接在与其他5 0q 系统连接。 由日本的h i g a s h i k o i g a k u b o ，等人设计了适用于自动雷达系统的7 7 g h z 的t r 组件曲1 ，包含一个采用0 1 5 9 mp h m e t 管工艺制造的m m i c 低噪声放大器、0 1 i m a p h m e t 管工艺制作的v c o ( 输出功率6 d b m ，调谐带宽 2 0 0 m h z ) 、一个高功率 放大器( 在7 6 5 g h z 处的增益为1 3 d b ，饱和功率1 4 d b m ) 、一个本振缓冲放大器、 一个单平衡混频器以及一个天线贴片单元。 2 、国内动态 由于国内的工艺水平限制，在毫米波频段还没有整个前端系统m m i c 的报道， 但已经由过去的波导立体结构向现在的混合平面微带结构过渡，采用l t c c 技术 的前端组件也大量出现。 南京电子技术研究所赵宏伟、吴迤研制了一种新的s 波段t r 组件。，它为 装备一台空中防御雷达而开发。这种组件的特殊之处是它在宽频带内具有很高的 功率( 波段内峰值功率大于1 2 k w ) ，并具有很长的脉冲( 高达2 0 ( 0 ) 和高占空 比( 1 5 ) ，接收支路的主要参数是很低的噪声系数( 典型值是2 d b ，包括收发开关 和限幅器损耗) ，以及很高精度的幅相控制。 南京电子器件研究所承担的“九五”预研课题“x 波段t r 组件 项目于1 9 9 9 年3 月取得重大进展，成功地研制出尺寸为1 3 x 7 5 x 5 0 m m 3 ，重量为2 1 9 ，发射 功率大于5 w ，接收噪声系数小于2 6 d b 的微波全功能x 波段t r 组件，具有尺寸 小、重量轻、频率宽、发射功率高等优点。 电子科大的李桂萍研制k a 频段收发组件样机哺，工作频率为3 5 + 0 3 g h z ，组 件内要求包括5 位移相器；在接收支路中，要求接收机的增益不小于2 0 d b ，开关 衰减可以在6 - - 一3 0 d b 可调；同时要求发射支路的发射功率增益不低于2 0 d b ，输出 4 第一章绪论 功率要高于0 7 w 。 在l t c c 前端上，电子科大的夏磊等人研制的l t c c 双通道低噪声接收前端取 得了很好的结果，两通道的增益大于2 5 d b ，噪声系数 3 0 d b ，接收中频p i d b 1 0 d b m ， 增益 2 2 d b ，平坦度 _ - l l d b 。 可见，国外的收发组件已经能够在单片上实现一个具有组件性能的模块了， 国内还主要处于种混合集成的研究状态。但是接收机的高性能、小型化依然是 目前研究的热点。 1 3 微波频率源发展状况 1 、国外动态 国外从上世纪七十年代初期已开始了毫米波锁相频率合成源的研究，已出现 了商品化的毫米波频率综合源，现在向全集成m m i c 方向以及光频率发展，有关 报道有： 1 9 9 1 年hkm i c r ow a v ei n e 公司采用脉冲取样鉴相法做出了4 5 g h z 毫米波源。 该毫米波信号源输出频率3 5 - 4 5 g h z ，电子调频相对带宽为0 1 。输出功率 1 0 d b m ，相噪1 0 0 d b c h z 1 0 0 k h z u 。 2 0 0 2 年5 月，g u n t e rr i t z b e r g e r 、j o s e fb o c k 以0 4 u m 8 5 g h z - f t 的s i g eb i p o l a r 工艺做出带有2 倍频和1 6 分频的v c o 单片，与商用p l li c 相结合，得到3 6 g i - i z - 4 5 5 g h z 毫米波频综，输出功率为。1 2 d b m - - - 1 6 d b m ，未提锁定时输出信号的相噪 ( v c o 自由振荡时，4 0 g h z 输出信号相噪一7 9 5 d b c h z 1 m h z ) ，跳频时间( 3 8 g h z 到4 0 g h z ) 、 3 0 0 u s u 引。 最近几年在微波毫米波频段又出现了光电频率合成方式，它一般要依赖于 o f i d ( o p t i c a lf r e q u e n c y - i n t e r v a ld i v i d e r s ) 和o f c g ( o p t i c a lf r e q u e n c yc o m b g e n e r a t o r s ，光梳状谱发生器) u 引。2 0 0 1 年有人使用o f c g 和单向渡越载流子光电 二极管得到了带宽为1 0 - - 一l1 0 g h z 的频率输出，整个输出频带单边带噪声为7 4 - 7 8 d b c h z 1 0 k h z 【1 4 】。 2 、国内动态 国内毫米波频率源研究始于上世纪八十年代中期，特别是九十年代以后开始 5 电子科技大学硕士学位论文 增多，集中在混合集成上面，相对于国外发展落后一些，主要的研究成果有： 1 9 9 9 年，西安电子应用研究所张春荣等采用谐波混频、固定中频鉴相的方法 研制出8 m m 频率源，输出频率为3 3 2 g h z ，相噪为一9 2 d b c h z l k h z ， 1 0 0 d s c h z l o k h z ，杂散 一6 0 d b c 15 1 ，频综源结构如图1 - 1 ( 1 0 0 m h z 参考晶振相噪 为一1 4 3 d b c h z l k h z ) ，但没有变频能力。 图1 - 1 张春荣等所采用的电路结构 2 0 0 3 年南京理工大学张宇选用y i g 振荡器代替v c o ，频综源结构如图1 2 ， 输出频率3 6 2 5 3 8 3 g h z ，功率在1 0 d b m 左右，杂散6 0 d b c ，相噪为 7 3 d b c h z zl a , , z ，一9 0 d b c h z 10 k h z ，步进2 m h z ，未提及跳频速度1 引。 f 蒯_ ) 图l 屯张宇采用的电路结构 2 0 0 3 年恽小华等研制出v 波段频率合成器，输出频率5 8 g h z 6 0 g h z ，功率 7 5 d b m ，频率步进4 0 m h z 捷变时间小于4 0l as ，相位噪声优于一8 6 d b c h z ( 1 k h z ) ( 载波频率为5 9 g h z ) 1 。 2 0 0 5 年3 月，电子科技大学崔志伟研制出小型低相位噪声毫米波频率合成源， 输出频率3 4 5 3 5 5 g h z ，步进1 0 m h z ，相位噪声优于一8 2 7 d b c i - i z l k h z 和 6 第一章绪论 8 3 8 d b c h z 1 0 k h z ，体积 1 4 0 c m 3 ，功耗小于8 5 w 。 基准分频器 豫 基准振荡器 f r 鬻h 环繁器h 压镒嚣 可变分频器 剁 谐波 混颍嚣 工 倍频器 x m 图1 - 3 志伟所采用的混频环结构图 2 0 0 5 年，电子科技大学谭炽州研制出6 0 g h z 的毫米波点频锁相源，输出功率 3 m w ，相位噪声为7 0 4 d b c h z i o k h z “9 3 ，电路结构如图1 - 4 。 图1 - 4 谭炽州采用的电路结构 2 0 0 6 年3 月，电子科技大学姚鸿飞将d d s 和m np l l 相结合，研制出一种窄 步进、捷变频的k a 波段全相参毫米波频率源，输出k a 波段本振和发射两路信号， 频差6 0 m h z 。系统的频率分辨率达到1 0 0 k h z ，相噪 - 8 7 d b c h z ：l k h z 、 9 2 d b c h z 1 0 k h z ，输出带宽4 0 0 m h z ，杂散 绘制方案原理图、版图、腔体图以及选择市场上合适的微波器件； 项目中涉及无源微波功分器和滤波器的微带设计； 系统硬件电路的测试以及结果分析。 9 电子科技人学硕士学位论文 2 1 发射与接收机简介 第二章接收机体制 通信机由发射机和接收机组成。发射机射频部分的任务是完成基带信号对载 波的调制，将其变为通带信号并搬移到所需的频段上且有足够的发射功率，其结 构如图2 1 所示。发射机发射的信号是处于一个信道内的高频大功率信号，应尽量 减少它对其他相邻信道的干扰。发射机的主要指标是频谱、功率和效率，但还有 下面的指标需要考虑【2 1 ，2 2 】： 信号的性质，即是这种信号在基带上占的频带带宽： 发射功率的大小以及发射机的中心频率； 发射信号频谱纯度要求，杂散及谐波要求； 发射机频带宽度以及带内功率波动要求； 是否需要a g c ( 自动功率控制) 或a l c ( 自动电平控制) ； 线性度要求，双音输入三阶互调指标，信号的动态范围等等。 图2 1发射机的结构 接收机的射频部分与发射机相反，见图2 2 所示，它是从众多的电波中选出有 用信号，并放大到解调器所要求的电平值后再由解调器解调，将频带信号变为基 带信号。由于传输路径上的损耗和多径效应，接收机接收的信号是微弱且又变化 的，并伴随着许多干扰，这些干扰信号强度往往远大于有用信号，因此接收机的 主要指标是灵敏度和选择性。 l o 第二章接收机体制 2 2 超外差接收机 图2 _ 2发射机的结构 超外差式接收机射频部分的结构方框图如图2 3 所示，其关键部件是下变频 器。下变频器将信号频率和本振频率混频( 通常指下变频) 后降为频率固定的中 频信号。 首先，中频比信号载频低的多，在中频频段对有用信道的选择要比在载波频 段对滤波器q 值得要求低的多。其次，接收机从天线上接收到的信号电平一般为 1 2 0 - 一一1 0 0 d b m 。如此微弱的信号要放大到解调器可以解调或a d 变换器可以工作 的电平，一般需要放大1 0 0 2 0 0 d b m 。采用超外差式接收机方案后，将接收机的 总增益分散到了高频、中频和基带三个频段上。而且，载波降为中频后，在较低 的固定中频上做窄带的高增益放大器要比在载波频段上做高增益放大器容易的 多。最后，在较低的固定中频上解调或a d 变换也相对容易。 超外差结构自从1 9 7 7 年由a r m s t r o n g 发明以来，已被广泛采用超外差接收机 双变频系统如图所示，该系统结构可用于为2 4 g h z 的i s m 频段应用而设计的接收 机系统中。通过观察一些主要的接收机节点的无线电频谱，可以很好的理解该结构 的工作和频率变换位于l n a 前面的射频滤波器用于衰减带外信号和镜像干扰。使 用可调的振荡器，全部频谱就被下变频到一个固定的中频i f 。在下变频模块之前 使用一个外部镜像干扰抑制滤波器，可以使镜像干扰大大削弱，达到一个可以接 受的水平。在下变频以后使用中频滤波器可以进行正常的信道选择，也可以对后 面的各个模块降低动态范围要求。在确定接收机的选择性和灵敏度方面，中频的 选择是很重要的。第二下变频通常是正交的，以使同相和正交信号的数字处理变 的容易。图2 3 中也给出了使用d s p 从i 和q 信号产生所需信号的方法。 电子科技大学硕士学位论文 q a j d9 0 。三e 换 图2 3超外差接收机结构 因为超外差体系结构通过适当的选择中频和滤波器可以获得极佳的选择性和 灵敏度，所以被认为是最可靠的接收机拓扑结构。由于多个变频级，d c 补偿和泄 露问题不会降低接收机的性能，但需要付出一些成本以获得充分的性能。镜像干 扰抑制和信道选择所需要的外部高q 带通滤波器增加了成本和尺寸。由于在第一 中频分级实现信道选择，所以要求本机振荡器l o 具有一个外部缓冲器，以得到较 好的相位噪声性能。 2 3 零中频接收机 让本振频率等于载频，即取中频为零，就不存在镜像频率，也就不会有镜像 频率干扰。把载频直接下变频( d i r e c t - c o n v e r s i o n ) 为基带的方案称为零中频方案 ( z e r o i f ) 。 在集成的射频接收机中，消除片外元件的设想促使零中频接收机体系结构的 出现。零中频接收机体系结构如图2 - 4 所示。 l p f 限幅检测 q 图2 - 4零一中频接收机结构 这是一个用于直接序列扩频系统的直接变频( 零一中频z e r oi fa r c h i t e c t u r e ) 接收机。该系统包括锁相环p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 、接收信号强度指示器r s s i ( r e c e i v e ds i g n a li n d i c a t o r ) 和片上滤波器，完成频域内相应的下变频处理过程。 1 2 第二章接收机体制 在该拓扑结构中，全部射频频谱下变频到d c ，高滚降低低通滤波器( h i g hr o l l - o f r l o w p a s sf i l t e r ) 用来实现信道选择。该拓扑结构消除了镜像干扰问题，因此无须 使用外部高q 镜像干扰抑制滤波器。正交下变频产生i 和q 信号，以便对信号进 一步处理。零中频结构消除片外元件，使用该系统结构更具集成性。因为镜像干 扰信号的功率电平小于所需要信号电平。该体系结构要求较低的镜像干扰抑制， 并且镜像干扰抑制滤波器要在片内完成。由于只有一个本振用于下变频信号，所 以减少了混频处理。总之，该体系结构在节约成本，减小芯片面积和功耗方面是 极佳的。 然而，随时间而改变的d c 补偿，本振泄露和闪烁噪声引起的问题会妨碍信号 的检测。通过使用适当的数字信号处理器( d s p ) 或自动归零功能，d c 补偿问题 可以得到纠正。因为在下变频之前没有提供滤波功能，所以高线性混频器可用于 避免失真。 该体系结构也易于产生二阶互调失真分量( i m 2 ) 。类似于超外差体系结构， 该体系结构要求可变的高频本振以实现信道选择。该体系结构已经成功的应用于 需要很少d c 能量的调制中，例如过调制的频移键控( f s k ) 寻呼系统。 2 4 新型的接收体制 1 、低一中频接收机体系结构 集成的片上带通滤波的概念引出了低一中频接收机( l o w i fr e c e i v e r ) 拓扑结 构。在该体系中，中频处于低频率( 典型为几百k n z ) ，因此需要低q 信道选择滤 波器。图2 5 给出了2 4 g h z 蓝牙接收机所采用的低一中频体系结构。该结构可以完 成相应频域下的变频处理。射频频谱首先被多相滤波器放大并滤波，在滤波器输 出端产生综合信号。该滤波器对于正频率充当全通滤波器，对于负频率充当带阻 滤波器。该信号随后下变频到正交低中频，典型的是1 2 个信道带宽的数量级。 该正交下变频器处理利用了综合混频器。综合混频器只混合正射频频率和一个负 本振频率，因此实现了主动的镜像干扰抑制。 低中频体系结构适用于集成，因为在混频器之后使用低q 带通滤波器就实现 了镜像干扰抑制和信道选择。不像零中频体系结构，低中频体系结构对于寄生的 d c 补偿，本振泄露和i m 2 是不敏感的。该体系结构也能灵活的以多种方式处理信 号。由于在片上进行i 和q 发生器之间的匹配，该体系结构的一个缺点是它的镜 频抑制功能有限。在信号路径中实现非对称多相滤波器以加强镜像干扰抑制，会 1 3 电子科技人学硕士学位论文 产生插入损耗和引起噪声降低。如果没有适合预滤波，模数( a d ) 转换器上的 动态范围和分辨率要求会大大增加。此外，当该拓扑结构用于宽信道带宽应用时， 会导致电流消耗的增加。另外，还需要良好的相位噪声的可变高频本振，增加了 合成器的设计难度。 图2 5低一中频接收机结构 2 、宽带双一中频接收机体系结构 宽带双中频接收机是加州大学伯克利分校的研究者提出的一种很吸引人的方 法，是将零中频和外差体系结构结合起来以优化功耗和性能。其功能框图如图2 6 所示。它可完成相应的下变频过程。该方法类似于超外差体系结构，使用多个中 频级。第一中频处于高频( 几百m h z ) 。使用固有的l o l 将全部射频频谱首先下变 频到一个高中频。通常，l o i 频率在应用频段之外，所以在天线之后的射频滤波器 也作为镜像干扰滤波器使用。下变频信号通过低通滤波器之后，应用一个可实现 主动的镜像干扰抑制的综合混频器，将所需的信号下变频到d c 。使用可变的l 0 2 选择所需的信道。 该方法有利于集成，可降低成本。而且，固定的l o l 使低相位噪声高频合成 器的设计容易。并可以降低功耗。因为第一中频固定为高频，所以反馈分频器要 求较低的分频比，这样能改进l o i 的整体相位噪声性能。该拓扑结构尽管不存在 本振泄露问题，但依然没有解决d c 补偿和i m 2 失真问题。在中频和射频之间，该 体系结构也存在信号串扰现象，因此使用低通滤波器进行信道选择，而不使用电 流消耗大的带通滤波器，从而可得到5 5 r i b 的镜像干扰抑制。 1 4 第二章接收机体制 图2 - 6宽带双一中频接收机结构 3 、亚一采样接收机体系结构 基于带通采样定理应用的中频亚采样接收机系统如图2 7 所示。在中频的亚 采样接收机系统中，采样电路代替零一中频接收机体系结构中的混频器。射频信号 以基带信号的奈奎斯特速率进行采样。带通采样产生的频谱镜像表达式为： ：= k 心 ( 3 1 ) 式中：k 是整体常数，w 是频谱镜像点，在亚采样零中频体系结构中，w = 0 ； 屹。和比分别是采样和载波频率。 该体系结构也适用于射频集成电路， 下变频处理简化为一个简单的采样操作。 特别是在c m o s 技术中，将一个复杂的 因为采样所需频率低于载波频率，使振 荡器设计变的很简单，并且振荡器功耗也较低。该结构需要关注的问题之一是噪 声混淆。由于噪声功率提高了2 后倍，这需要使用外部带通滤波器；而采样时钟上 的抖动放大了k 2 倍，导致了所需信道的干扰。该结构的另一个未解决的问题是时 钟馈通和运算放大器不足的设置时间。这些因素不能使干扰充分衰减，因此要求 a d 有一个大的动态范围。由于m 和w t 成比例，使得更高频的低功率亚采样体 系结构很难设计。 采样 采样 q 图2 7亚一采样接收机结构 4 、数字中频接收机体系结构 在数字中频拓扑结构中，混频和滤波可以在数字域中实现，超外差、低中频 1 5 电子科技大学硕士学位论文 和零中频体系结构中的中频级可以数字化。数字中频的使用避免了i 和q 之问的 不均衡，实现了完美的镜像干扰抑制。然而，该体系结构需要高性能的a d ，数 字中频的难点在于对a d 变换器的要求较高，主要体现在以下几个方面： 1 ) 由于一中频比较高，因此要求m d 变换的速度也很高。 2 ) 中频的信号虽然经过了放大，但是幅度仍较小，这就要求刖d 变换器有较 高的分辨率和较小的噪声。 3 ) 如果中频的滤波器不能很好的率除镜像干扰和其他频率的干扰信号，为了 防止由互调失真等原因引起的对有用信号的影响，要求a d 变换器的线形度很高。 4 ) 要求a d 变换器有较大的动态范围，这是因为接收到的有用信号电平可能 会因为传输路径的衰落和多径效应而变化。 5 ) a d 变换器的带宽应该和中频信号一样。 因此，提高了整个接收机的电流消耗。图2 8 中的低一中频数字接收机体系结 构可以使用带通转换器以降低a d 的性能要求。的带通属性同时实现采 样和滤波功能。在高频a d 的设计方面，数字中频仍然是一个活跃的研究领域。 2 5 镜像抑制接收机 图2 - 8低一中频数字接收机结构 q 前面介绍的超外差接收机是靠外接镜频抑制滤波器来滤除镜像频率干扰，而 镜像抑制接收方案是采用改变电路结构来抑制超外差式接收机中的镜像频率干 扰。考虑到镜像频率油和信号频率0 ) r f 分别位于本振频率( 0 l o 的两边，采用某些 处理会对他们产生不同的影响。基本方案如图2 - 9 所示，也称为h a r t l e y 结构。在 此方案中，用相互正交的两个本振去与来自l n a 的射频信号混频，再将其中一路 相移9