微波接收機(jī)的設(shè)計

1、微波接收機(jī)的設(shè)計學(xué)院:XXXX學(xué)院:XXX班級：XXXXXXXXXX學(xué)號：XXXXXXXXXX摘要：微波接收機(jī)通過接收被觀測場景輻射的微波能量來探測目標(biāo)的特性，其合理設(shè)計是微波遙感探測定量化應(yīng)用的基礎(chǔ)。本文對微波接收機(jī)的設(shè)計方案和步驟進(jìn) 行了論述，簡要設(shè)計了一個全功率超外差型微波接收機(jī)系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：微波 接收機(jī) 增益微波接收機(jī)的基本功能就是從天線接收到的隨機(jī)信號中提取出比接收機(jī)部 噪聲低很多的表征背景目標(biāo)特性的微波輻射信號。微波接收機(jī)必須保證系統(tǒng)的頻 率、帶寬、測溫靈敏度、積分時間、線性相關(guān)系數(shù)和增益穩(wěn)定度等參數(shù)，因此接 收機(jī)的精心設(shè)計和研制是保證整機(jī)性能指標(biāo)實現(xiàn)的一大關(guān)鍵。接收機(jī)的功能有：

2、把從天線傳入的微弱信號放大轉(zhuǎn)換為 A/D采樣器所需的電平。 把目標(biāo)信號從噪聲和干擾信號中濾出。 將天線接收的射頻信號下變頻，降低 A/D的采樣頻率。 AGC控制。一、接收機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的確定1. 接收機(jī)量化噪聲、量化信噪比及最大最小增益的計算接收機(jī)的輸入信號有很大的動態(tài)圍，確定接收機(jī)的放大倍數(shù)時，通常會 放大接收機(jī)的增益，將最小的輸入信號也能足夠放大，而在大信號輸入時， 利用可變衰減器可以降低增益。接收機(jī)的最大增益取決于最小輸入信號 等效噪聲輸入功率和A/D的量化噪聲性能。對于一個幅度與最大電平匹配的正弦波，電壓在負(fù)載1上的時間平均功率是也就是A/D的最大允許輸入功率，即放大器的最大輸出功率懇量化

3、噪聲是實際信號值和量化噪聲值之間的誤差，是一個分層電平之間 隨機(jī)的值，平均量化噪聲功率為：P叫-2NT 二 PdBm)-3(2N-3)(dB)-UdB (1)其中，為A/D的分辨率。假定輸入A/D的信號中沒有噪聲，最大信號是'w，這時的量化信噪比最大，可表示為P 2S吩* = 3 丹（2）N、 2"用分貝表示為SNR =6/V + L76（dS）（3）可見量化信噪比可以通過提高 罔來改善。對于】 位的A/D量化信噪比約為 '0當(dāng)輸入信號小時，量化信噪比也相應(yīng)減小，對于最小信號Pn輸入的情況,量化信噪比也最小，可表示為PSNR= - =化訕9亦）-P網(wǎng)耿（曲咖十S （加

4、- 3）Cd）十UdB （4）因為有P =P Goniui iiiiui maxk z因此可以確定接收機(jī)最大增益了?？煞謨煞N情況來確定：情況一：接收機(jī)輸入端最小信號（廣:.皿:1）小于等效輸入噪聲（尋）這種 情況下，如果為了提高A/D的量化信噪比而提高接收機(jī)增益，就會使接收機(jī)的輸 出噪聲功率增大，超過 A/D的動態(tài)圍。所以，確定接收機(jī)最大增益的原則是： 接收機(jī)的噪聲輸出電平（）比A/D的最大允許輸入電平小3：',這樣就可以得到P燦=Pni+ £蘭如吋寫成分貝的形式就有對最小輸入信號，接收機(jī)的輸出就是，若按 計算的量化信噪比達(dá)不到跑淵，就需要加大A/D的位數(shù)來減小量化電平，提高

5、量化信噪比。情況二：接收機(jī)輸入端最小信號（：v）大于等效輸入噪聲的情況。這 種情況下，可以大一些以保證信號經(jīng)過 A/D之后有足夠高的量化信噪比，一 般達(dá)到：；就可以了。根據(jù)式 UofSl可得-咒）+ ax（m）-3 - （2/V -町（山（8）確定接收機(jī)最小增益的原則就是將接收機(jī)的最大輸入信號放大到A/D的最大允許輸入電平，寫成分貝的形式就是|% = %川加）一衛(wèi)加）礙）2. 接收機(jī)的一般結(jié)構(gòu)接收機(jī)的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示?？芍饕譃槿墸?LNA（低噪聲放大器）級：決定系統(tǒng)的噪聲性能。 MIX （混頻器）級：數(shù)控衰減器的作用是在大信號輸入時進(jìn)行衰減，降低系統(tǒng)的增益，防止后級飽和。 IF （中頻）

6、級：二次變頻的作用是防止在同一頻率上增益太高，放大器可能自激，導(dǎo)致系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作，當(dāng)系統(tǒng)總增益小于：時，一次變頻就可以了。圖1接收機(jī)的一般結(jié)構(gòu)3. 濾波器的考慮 射頻濾波可以放在LNA的前面，主要作用是濾除雜波和干擾信號。一般 來說濾波帶寬比信號帶寬寬得多，這樣也容易研制。 緊跟在LNA后面的濾波器主要是濾除鏡像頻率，一般帶寬也可以比信號 帶寬寬很多，利于研制。 中頻頻率也就是混頻器以后的濾波器的作用是抑制混頻器產(chǎn)生的多種不 需要的變頻頻率分量。頻帶比較窄，與信號的頻帶相匹配，因此也濾除 了信號頻帶外的噪聲。系統(tǒng)噪聲帶寬由它決定。4. 接收機(jī)噪聲系數(shù)和噪聲溫度噪聲系數(shù)是表征一個部件（如放大器

7、、混頻器、傳輸線或整個接收機(jī)） 部噪聲大小的一個物理量。當(dāng)一個噪聲通過一個部件或系統(tǒng)時，由于該部件 或系統(tǒng)本身存在噪聲，使得該部件輸出端口的信噪比相對輸入端口有所下降， 部件的噪聲系數(shù)定義為輸入端口的信噪比與輸出端口信噪比之比：(10)p /p so no一個有噪聲的部件可以等效為一個無噪聲的部件，并把它的噪聲折合到輸入端，其等效的輸入噪聲溫度為 幾，可以推出部件的噪聲系數(shù)的大小與信號的功率無關(guān)，即匚(F-卯嘰由于'的定義與F匝有關(guān)，這樣就不能唯一地表示部件的噪聲特性，所以一般規(guī)定5 =皿。和.都是表征部件噪聲特性的量，二者是等效的。5. 頻率綜合器晶振和頻率綜合器包括一個咼穩(wěn)定的晶體

8、振蕩器，其頻率穩(wěn)定度由系統(tǒng) 的性能能要求決定，還包括一系列的倍頻和分頻電路，產(chǎn)生收、發(fā)系統(tǒng)所需 的各種頻率成分，這些頻率都是相干的。它們都來自一個源頭，即高穩(wěn)晶振, 都有相同的頻率穩(wěn)定度。這樣的接收機(jī)也稱為相干接收機(jī)。6. I/O正交解調(diào)器信息調(diào)制在載波上是為了信號傳播的需要。載波并不含有信息量，所以 可以通過相干混頻器把信號的載波頻率混掉。相當(dāng)于把信號頻率的中心頻率搬到零頻，這樣信號的頻帶就縮小一半，就降低了對A/D的要求。但信號的頻譜就出現(xiàn)了負(fù)頻率，必須用I/O正交解調(diào)器來解調(diào)這個信號。如果一個窄帶信號可表示為：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)中包含了信號 ；的全部信息量。斗/畑芒11通過低通濾波器取出ut),濾出高次項m'Oe，從而得到:5(t)e= )cos (少聲)+ )5(05111(3jt) = -u(C) + -u"(13)u(t) = a.= a(t)cos 0(t) + Ja(t)sin (t) = / + jQ (14)實現(xiàn)正交解調(diào)的條件是本地要有一個相干信號(叫。正交解調(diào)也可直接將中頻信號采樣后，在數(shù)字域進(jìn)行接收機(jī)設(shè)計步驟 根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)計算接收機(jī)的最大輸入信號功率，最小輸入信號功率 'i'

10、;,等效噪聲輸入功率丨k。 根據(jù)A/D的最大允許輸入電平計算接收機(jī)的最小總增益：気=卩“艸柯-卩”捉“環(huán))仙)( 如果接收機(jī)輸入的最小功率大于等效輸入噪聲功率，則由下式計算最小 輸入A/D的信號電平：戸矗=30(dBm) + Pomax(dBm) - 3 - (2JV - 3)(d6) - AldB (16) 計算接收機(jī)的最大總增益=3詢 *=孔仙)+ PdBm) - 3 (2N-3)(dF)-：(17) 如果接收機(jī)輸入的最小功率小于等效輸入噪聲功率，則按下式確定接收 機(jī)最大增益： 計算接收機(jī)的最小輸出信號并計算最小信號經(jīng)A/D后的量化信噪比：SNRp = P礙(如耐一 PM昨 + 3 - (

11、2M - 3)(dB如果'就可以了，如果廠 ：則需要提高冋來增加。 根據(jù)接收機(jī)的最大總增益確定接收機(jī)的結(jié)構(gòu)。如果最大總增益大于 ，貝U應(yīng)采用二次變頻方案，如果最大總增益小于 9%,貝詠用一次變頻方案。 確定增益控制圍，按下式計算気(2°)增益控制一般采用數(shù)控衰減器，控制精度1嘆E，控制信號由數(shù)據(jù)處理器提供。 放大鏈路的增益分配低噪放的增益一般為： 之間，其余增益在混頻器以后的第一中放和第二中放提供，數(shù)控衰減器放在第一混頻以后的中間，衰減最 小時接收機(jī)的增益最大，當(dāng)輸入信號增大時，衰減器起控，增益降低， 使接收機(jī)輸出不飽和，也不會超過 A/D的最大允許輸入電平。 確定各級濾波器

12、的特性，射頻濾波器頻帶較寬，主要功能是濾除雜波和 鏡像頻率，中頻濾波器頻帶由信號帶寬確定，濾除信號以外的噪聲和混 頻器產(chǎn)生的雜波。?確定本振頻率，一般接收機(jī)的本振頻率應(yīng)和發(fā)射機(jī)的上變頻頻率相對應(yīng)。 混頻后的中頻頻率應(yīng)和信號的帶寬相適應(yīng)。采用正交解調(diào)方式時本振頻 率和信號的載波頻率完全相同(相干)。?畫系統(tǒng)框圖，計算鏈路中各級放大器的輸入、輸出電平，確定各級放大 器的動態(tài)圍。如果要求放大器的動態(tài)圍太大，則應(yīng)重新分配鏈路增益。三、超外差式接收機(jī)設(shè)計超外差式接收機(jī)電路上實現(xiàn)方便，增益穩(wěn)定，具有抗干擾性。本方案選 用全功率超外差型接收機(jī)。采用加置低噪聲放大器、共本振單邊帶方式，可 以降低噪聲系數(shù)，消除

13、本振及其諧波對另一極化接受通道的干擾。設(shè)置步進(jìn) 增益控制，當(dāng)接收機(jī)輸出超過某一設(shè)定的圍時，改變增益控制電壓，調(diào)整接 收機(jī)輸出，從而保證接收機(jī)在長期工作時的輸出電壓不會超出要求的圍。 系統(tǒng)把從天線饋源進(jìn)入的信號，經(jīng)接收機(jī)輸入端的低噪聲放大器放大，與本振進(jìn)行混頻，獲得帶寬為、增益為二的檢波前部分，其輸出電壓和輸入功率成比例的平方律檢波器和低放積分器部分。輸出電壓可以與帶寬必上經(jīng)在積分時間T進(jìn)行平均的輸出功率建立相應(yīng)關(guān)系。1.技術(shù)指標(biāo)分析計算輻射計等效表示如圖2所示前鄒分圖2輻射計等效表示圖天線噪聲溫度：rA = nr4 + (l- r!)T0(21)式中：n|天線效率；無損天線觀察到的場景的天線輻

14、射溫度；?0天線的物理溫度。傳輸線和接收機(jī)組合的輸入噪聲溫度如圖 3所示:廠傳輸線Trec = (£-1)丁。+ 碼血接收機(jī)(22)式中:傳輸線損耗因子;?0傳輸線物理溫度；Tree = (NFrfc-1)Tq接收機(jī)等效噪聲輸入溫度。則系統(tǒng)噪聲溫度：sys = 5 + T rec(23)由于接收機(jī)的動態(tài)圍為 汰飛50K|,可取卩300K ；除天線外，整個通道恒溫在的環(huán)境中，所以Td = 300K，此時:TA = , + (1- q)T0= T,(24)TSYS =+ T REC接收機(jī)的靈敏度計算公式：(25)AT =+()7|2恥EtG(26)式中：0接收機(jī)的中頻帶寬;T 接收機(jī)的積

15、分時間。表1給出了接收機(jī)的噪聲系數(shù)和傳輸線損耗及相應(yīng)的各級等效噪聲溫 度。表1接收機(jī)技術(shù)參數(shù)3A(常溫)3.9(高溫)傳輸線損耗11|2增益估算接收機(jī)檢波前總增益的計算公式為:(27)£SYSBa式中，I ,是玻爾茲曼常數(shù)，單邊帶時雙邊帶，增益計算結(jié)果見表2。dI *_*表2接收機(jī)增益計算結(jié)果1鞏曲1900,826.27G(dB|603.增益分配UM(dB)20F3(朋)|484.振蕩器采用反饋型，介質(zhì)諧振器放在柵極和漏極傳輸線之間，調(diào)試簡單，一致性好，頻帶寬，輸出功率大，單電源供電。其電路拓?fù)淙鐖D4所示00根據(jù)表2的計算結(jié)果，接收機(jī)各級增益分配見表 3表3接收機(jī)各級增益分配圖4反饋

16、型DRO電路原理圖圖4所示的電路中，微波功率入射到 FET柵極，被放大的微波功率由漏極輸出，其中一部分由漏極微帶線、柵極微帶線和介質(zhì)諧振器組成的反饋網(wǎng)絡(luò)反饋到柵極構(gòu)成正反饋形成振蕩，振蕩頻率取決于反饋網(wǎng)絡(luò) 的選頻特性，也即介質(zhì)諧振器的諧振頻率，故頻率穩(wěn)定度也決定于介質(zhì) 諧振器的頻率穩(wěn)定度，從而得到穩(wěn)頻的效果。5.中放組件的設(shè)計根據(jù)中放頻率和帶寬，中頻放大器選用超高頻寬帶集成放大器，輸 出濾波器采用設(shè)計軟件設(shè)計后，集成在腔體，減少了高頻濾波器的體積, 其電路示意圖如圖5所示。一 耗灘放大一-衰誡一濾波一族大一檢波圖5中放組件示意圖對中放電路中的衰減器進(jìn)行增益控制，當(dāng)輸出電壓超出要求的圍時改變接收機(jī)增益，使輸出電壓調(diào)整到要求的圍。6.平方律檢波器的設(shè)計平方律檢波器是把功率轉(zhuǎn)換成電壓的關(guān)鍵電路，平方律的實現(xiàn)主要取決 于檢波管本身的性能和工作圍的選取。采用低勢壘肖特基檢波二極管作核心器件，輔以外圍電路構(gòu)成平方律檢波器。檢波二極管在零偏置條件下具有很 好的平方律特性和檢波靈敏度，其典型參數(shù)見表4。表4檢波二極管典型參數(shù)檢波二極管_最大正向壓降正切靈敏度電壓靈敏度燒毀功率2H10673|-5血" |1剛當(dāng)正向壓降大于:，檢波管進(jìn)入線性區(qū)，因此要使檢波器工作在平方律圍，必須保證正向壓降小于20山叩。四、總結(jié)