VHF 跳频电台接收机射频前端的仿真设计与研究.doc

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1、精品论文推荐VHF 跳频电台接收机射频前端的仿真设计与研究施永热 1，吴信宝 21 杭州电子科技大学电子信息学院，杭州 (310018)2 中国电子科技集团公司第五十研究所，上海 (200063)E-mail: 摘要：通过对 VHF 跳频电台接收机射频前端的介绍，运用 Agilent 公司的射频设计仿真软件 ADS 对整个接收机射频前端电路进行仿真和电路设计，构建了一个由保护电路，预选滤 波器，低噪声放大器和自动增益控制电路组成的射频前端电路模型，并对其进行仿真，最后的实验结果表明，该文所设计的射频前端达到了系统的设计要求，并有所改善。 关键词：射频前端；LNA；数控跳频滤波器；ADS；增益中

2、图分类号：TN921.引言近年来随着电子技术的飞速发展，无线电通信技术的应用越来越广泛。射频前端作为接 收机的重要组成部分，主要功能是将接收到的高频信号，转换成中频信号1。射频前端电路 对整个接收系统的性能有着至关重要的作用，其检测小信号的能力直接决定了接收机的灵敏 度；对大信号的适应能力决定着接收机的动态范围；良好的线性度可以减少系统中的互调失 真和交调失真。本文着重介绍利用 Agilent 公司开发的功能强大的 ADS（Advanced Design System）仿真软件对接收机的射频前端进行仿真，得到射频前端可靠的优越的性能指标，有 利于缩短生产设计时间，降低生产成本，提高产品的质量。

3、2.射频前端的具体指标根据接收机的灵敏度、噪声系数、选择性、动态范围、镜象抑制和中频抑制等各项性能 要求，分配到前端的各项技术指标为：（1）频率范围：30.000MHz87.975MHz。（2）增 益：13dB2 dB(高灵敏度)，0dB2 dB（低灵敏度）。（3）像频抑制：30MHz58.975MHz 不 小于 80dB，59MHz87.975MHz 不小于 75dB。（4）具有高低灵敏度选择。3.射频前端的仿真模型与总体设计本文中的射频前端电路主要模块如图 1 所示，根据该电路模块，在 ADS 中构建仿真电 路图，高灵敏度条件下的射频前端电路图如图 2 所示，低灵敏度条件下的射频前端电路图

4、如 图 3 所示。图 1 射频前端电路主要模块- 7 -R9V_DC SRC1R8C14R11R12C15Vg R10 C13 D3VsVdV_DC SRC3TF1TermL4L1L2L5C3C4DC_Feed2DC_Block1C5R2VbC12R7D2ap_njf_U310_19930602R6J1ap_npn_2N5031_19930601VeQ1DC_Feed1DC_Block2L6Term1Num=1Z=50 OhmC1C2L3L11L8L7L10R5C6D1R4C7TermTerm2Num=2Z=50 OhmC8C9L9C10C11DC_Block3DCDC DC1VSWR VSW

5、R1S-PARAMET ERSS_ParamSP1VSWR VSWR3图 2 高灵敏度条件下的射频前端仿真电路图图 2 中所用的放大器件：晶体管为 2N5031，场效应管为 U310；在电路结构上采用级联 结构，保证足够的功率增益，其中第一级晶体管电路采用负反馈技术保证放大器的稳定性2。R7R2V_DCVeSRC1D1R8C7 D2R5C5L4L1L2R4VbR3L5ap_npn_Q2N2484_19930601Q1VsVg V_DC SRC2DC_Feed3R6DC_Feed1TF1L6Term1C1Z=50 OhmC2L3 C3C4DC_Block1ap_njf_U310_19930602

6、J1DC_Feed2R1DC_Block2C8S-PARAMETERSS_ParamSP1VSWRVSWRVSWR1DCDC1DC_Block3L11C9L7C10L8L9C11L10C12TermTerm2Num=2Z=50 Ohm图 3 低灵敏度条件下的射频前端仿真电路图图 3 中所用的放大器件为场效应管 U310，具有高增益，低噪声，高稳定的特性。3.1 数控跳频预选滤波器的仿真预选滤波器的基本作用是对频率有选择地通过，把需要的信号选出来，并抑制不需要的 信号。滤波器设计所关心的主要问题是信号通过滤波器所产生的插损大小，相位变化，以及 对不希望信号的抑制能力。考虑到设计的接收机工作在 3

7、087.975MHz 的频率范围内，并希 望实现该频段全部覆盖，以及保持有较高的接收灵敏度，因而最好选择使用电调谐滤波器， 并且所选电调谐滤波器应具有较宽的调谐范围，较快的电调谐速度和较高的 Q 值以实现频 率预选。本项目所设计的数控跳频预选滤波器是采用逻辑芯片控制电容器组的方法来实现滤 波器中心频率调谐的双调谐滤波器3。在 ADS 中连接如图 4 所示的电路图，通过调谐控件对电容 C01，C02 的容值进行改变得到对选用不同的电容器组的滤波器进行仿真。因为是通过改变电容来改变中心频率的，所以系统的品质因数、带宽和插入损耗会随电容的变化而变 化，不可能一直保持一致，但只要滤波器的 Q、BW 和

8、插入损耗在系统可接受的范围内变化， 不影响系统的整体性能就可以，从而要求 Q 值应在 1115 之间改变，BW 则在 1MHz4MHz 之间变化，插入损耗的变化在 4dB6dB。图 4 各器件对应值见表 1 所示。L L L L L4L1 L2L5TermTerm 1Num=1Z=50 OhmC C L C1C01L3C C C02C2Term 2Num =2Z=50 OhmS-PARAMETERSS_ParamSP1图 4 预选滤波器仿真电路图表 1 元器件参考数据频率L1L2L3L4L5C01C1C02C230MHz98nH98nH3.5nH85nH85nH290.8pF20pF290.8

9、pF20pF60.5MHz98nH98nH3.5nH85nH85nH56.8pF20pF56.8pF20pF86.5MHz98nH98nH3.5nH85nH85nH17.3pF20pF17.3pF20pF预选滤波器在 30MHz，60.5MHz，86.5MHz 的仿真结果如下所示，0 0-5-15dB(S(2,1)-25-35m1m 2 m3m2 freq=29.10MHz dB(S(2,1)=-8.903m1freq= 30.00MHz dB(S(2,1)=-5.764m3freq= 30.60MHz dB(S(2,1)=-8.902-5-10-15dB(S(2,1)-20-25-30m1m

10、2m3m2 freq=59.00MHz dB(S(2,1)=-7.001m1 freq=60.50MHz dB(S(2,1)=-4.375m3 freq=61.60MHz dB(S(2,1)=-7.575-45-35-40-552022 24 26 28 30 32 34 363840 freq, MHz-455052 54 56 58 60 62 64 66 68 70freq, MHz图 5 中心频率 30MHz 时的仿真结果图 6 中心频率 60.5MHz 时的仿真结果0-5-10-15dB(S(2,1)-20-25m1m2m3m2freq= 84.60MHzdB(S(2,1)=-8.0

11、59m1freq= 86.50MHz dB(S(2,1)=-5.352m3freq= 88.50MHz dB(S(2,1)=-8.630-30-35-40-45767880 82 84 86 88 90 92 94 96 98freq, MHz图 7 中心频率 86.5MHz 时的仿真结果从图 5、图 6、图 7 的仿真结果中可以看出，中心频率为 86.5MHz 时滤波器的带宽为3.9MHz，插入损耗为 5.352dB。中心频率为 60.5MHz 时滤波器的带宽为 2.6MHz，插入损耗为 4.375dB。中心频率为 30.0MHz 时滤波器的带宽为 1.5MHz，插入损耗为 5.764dB。

12、带宽 和插入损耗在各频率点上出现不同的值，原因之一是通过改变电容值来改变中心频率，另一 个原因是在仿真的过程中，把 L3 设定为一个固定值，因而在频率的高端出现了过耦合现象， 频率的低端出现了欠耦合。实际电路中，L3 是电感 L1、L2 的寄生电感，其值是在变化的。 从仿真结果中还可以看出通过滤波器所得的频率响应是不对称的，信号在高于中心频率处的 衰减速度要大于在低于中心频率处，这是因为所设计的预选滤波器是通过电感耦合造成的， 如果使用的是电容耦合则得到与仿真结果成镜像关系。总的来说，所设计的预先滤波器的带 内插损和带宽都达到了系统的设计要求，能较好的实现选频滤波作用。3.2 低噪声放大器（L

13、NA）的仿真低噪声放大器（Low Noise Amplifier,简称 LNA），是接收机射频前端的重要组成部分。 低噪声放大器主要有以下几个特点：首先，它位于接收机的最前端，要求噪声越小越好。为 了抑制后面各级噪声对系统的影响，要求有一定的增益，但为了不使后面的混频器过载，产 生非线性失真，增益又不能过大，并且要求放大器在工作频段内应该是稳定的。其次，它所 接收的信号很微弱，低噪声放大器必定是一个小信号线性放大器。而且受传输路径的影响， 信号的强弱又是变化的，在接收信号的同时又可能伴随许多强干扰信号混入，因此要求放大 器有足够的线性范围。根据以上这些要求，在 ADS2006 仿真软件中进行仿

14、真，设计了一种 性能优越的 LNA，以满足系统的要求，并有实际的应用价值。3.2.1 高增益低噪声放大器仿真R6R1 R2C3C4Vg R7C6 L3D3L2C8L1V_DC SRC3Vdc=12 VV_DCC2SRC1R3Vdc=5 VR4R8VdVs ap_njf_U310_19930602J1TF1L4C10C9TermTerm2Num=2TermC1Term1Num=1Z=50 OhmVbC5R5D2ap_npn_2N5031_19930601VeQ1R10Meas MeasEqnEqnMeas1Meas MeasEqnEqnMeas2Z=50 OhmS-PARAMETERSD1R9C

15、7DS=S11*S22-S12*S21Meas MeasEqnEqnB=1+S11*S11-S22*S22-DS*DSOPTIONSOptionsOptions1VSW RVSWR1VSWR1=vswr(S11)S_ParamSP2DC DC1Meas3K=(1-S11*S11-S22*S22+DS*DS)/2/S12/S21DC图 8 高增益低噪声放大器仿真电路图2520151050dB( S (2 ,2) )d B (S (1 ,1) d B (S (2 ,1) -5-104.504.45n f(2 )4.404.354.304.254.20-154.15-203040 50 60 70

16、8090freq, MHz4.1030405060708090freq, MHz图 9 高增益下 LNA 的 S 参数图 10 高增益下 LNA 的噪声系数3.2.2 低增益低噪声放大器仿真R5V_DC R7R4 ap_dio_1N5711_19930601D1C11R2VeVbap_npn_Q2N2484_19930601Q1R3VgVsV_DC SRC2R8C10D2VSWRVSWR1S-PARAMETERSS_ParamSP1DCDC DC1SRC3Vdc=5 VDC_Feed3Vdc=12 VDC_Feed1R6TF1L1TermTerm1Num=1Z=50 OhmDC_Block1a

17、p_njf_U310_19930602J1DC_Feed2R1DC_Block2TermTerm2C1Num=2Z=50 Oh图 11 低增益低噪声放大器仿真电路图20100d B ( S ( 2 , 2) )d B (S (1 , 1 ) d B (S (2 , 1 ) -10-202.892.88nf ( 2 )2.872.86-3030405060708090freq, MHz2.85304050 60 70 80 90freq, MHz图 12 低增益下 LNA 的 S 参数图 13 低增益下 LNA 的噪声系数从仿真结果分析，所设计的低噪声放大器，有较好的增益的同时，噪声系数也很小，

18、满 足系统的设计要求，具有良好的实用性，可靠性。4.射频前端的仿真结果m1m2 0m8 m3m1 freq=30.00M Hzm em (m em ory1 dB(S(2,1)=13.83m2 freq=60.50M Hzm em (m em ory2 dB(S(2,1)=12.87m3 m9 freq=86.50M HzdB(S(2,1)=13.072m4 dB(S(1,1)dB(S(2,1)-50m7 m5 -100-15025.0m6 m4 43.562.080.5freq , MHzfreq=59.20M Hzm em (m em ory1 dB(S(2,1)=-134.85m5 fr

19、eq=31.20M Hzm em (m em ory2 dB(S(2,1)=-70.69m6 freq=57.30M Hz dB(S(2,1)=-77.200m7 freq=36.00M Hzm em (m em ory1 dB(S(2,1)=-57.16m8 freq=66.50M Hzm em (m em ory2 dB(S(2,1)=-46.65m9 freq=92.50M Hz dB(S(2,1)=-32.44995.0图 16 高灵敏度条件下的射频前端仿真结果m3 m1m2 0dB(S(1,1)dB(S(2,1)-50m8 m7m5 m6-100m1freq=30. 00MHzmem

20、 (m emory 1 dB(S(2,1)=-2.408m2 f req=60. 50MHzm em(m em ory 2 dB(S(2, 1)=-0. 873m3 m9 f req=86. 50MHzdB(S(2, 1)=0. 801m4 f req=59. 20MHzm em(m em ory 1 dB(S(2, 1)=-149. 853m5freq=31. 30MHzmem (m emory 2 dB(S(2,1)=-84. 822m6 f req=57. 30MHz dB(S(2, 1)=-92. 301m7 f req=36. 00MHzm em(m em ory 1 dB(S(2,

21、 1)=-70. 660m8 f req=66. 50MHzm em(m em ory 2 dB(S(2, 1)=-61. 240m9 -15025m445 6585d b m _ out freq , MHzf req=92. 50MHz dB(S(2, 1)=-45. 49095图 17 低灵敏度条件下的射频前端仿真结果3020d b m _ou t lin e a r100-10m5RF_pwr=-3.650m6 linear=10.184m6302010linear 0-10m5RF_pwr=-1.700m6 linear=11.176m6-20-30RF_pwr=-3.650 dbm

22、_out=9.177-20-30RF_pwr=-1.700 dbm_out=10.188-40-30 -20 -10 010RF_pwr-40-30-20-10010RF_pwr图 18 30MHz 1dB 增益压缩点图 19 60.5MHz 1dB 增益压缩点30m520RF_pwr=-4.900linear=8.172m6b m _ ou t100d line ar -10-20-30-40m6RF_pwr=-4.900dbm_out=7.173-30 -20-10010RF_pwr5.总结图 20 86.5MHz 1dB 增益压缩点从仿真结果可以看到，高灵敏度条件下的增益：30MHz 为

23、 13.83dB，60.5MHz 为 12.87dB，86.5MHz 为 13.07dB；像频抑制：30MHz 为 134.8dB，60.5MHz 为 70.7B，86.5MHz 为 77.2dB。 低灵敏度条件下的增益为：30MHz 为-2.41dB，60.5MHz 为-0.87dB，86.5MHz 为 0.80dB； 像频抑制：30MHz 为 149.8dB，60.5MHz 为 84.8dB，86.5MHz 为 92.3dB。基本达到了预期 的指标要求，同时实现了高低灵敏度选择，自动增益控制。为下一步实际电路的设计奠定了 一定的基础，缩短了产品设计的周期，降低了设计成本。参考文献1 袁杰.

24、 实用无线电设计M. 北京: 电子工业出版社, 2006.62 谢嘉奎，宣月清，冯军. 电子线路：线性部分(第四版)M. 北京: 电子工业出版社, 1999.6 3 彭峰，雷李，张里. 跳频接收机中调谐高放电路的设计J. 信息安全与保密, 2007.1: 93-95VHF Frequency-hopping Radio Receiver Front-end Design and Simulation StudiesShi Yongre1,Wu Xinbao21School of Electronics Information, Hangzhou Dianzi University, Hangz

25、hou (310018)2No.50 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shanghai (200063)AbstractBy presenting the VHF frequency-hopping radio receiver front end, based on the RF design and simulation software ADS by Agilent, this paper makes a receiver front-end RF circuit simulati

26、on andcircuit design. A circuit protection, pre-filter, low-noise amplifier and automatic gain control circuit are constucted, and simulation after the circuit optimization, the final results show that the RF front-end in this paper meets the requirements for the system and improves.Keywords: RF front-end; LNA; frequency-hopping digital filter; ADS; gain作者简介：施永热，男，1984 年出生，杭州电子科技大学电子信息工程2007级硕士研究生， 专业为电磁场与微波技术。