隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和無線通訊技術(shù)的飛速發(fā)展,無線電通信的應用越來越廣泛,家用電器產(chǎn)品日益普及。射頻前端作為接收機的重要組成部分,主要功能是將接收到的高頻信號,轉(zhuǎn)換成中頻信號。射頻前端電路對整個接收系統(tǒng)的性能有著至關(guān)重要的作用,其檢測小信號的能力直接決定了接收機的靈敏度;對大信號的適應能力決定著接收機的動態(tài)范圍;良好的線性度可以減少系統(tǒng)中的互調(diào)失真和交調(diào)失真。文中著重介紹利用Agilent公司開發(fā)的功能強大的ADS(Advanced Design System)仿真軟件對接收機的射頻前端進行仿真,得到射頻前端可靠的優(yōu)越的性能指標,縮短了生產(chǎn)設(shè)計時間,降低生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品的質(zhì)量。
1 射頻前端的具體指標
根據(jù)接收機的靈敏度、噪聲系數(shù)、選擇性、動態(tài)范圍、鏡象抑制和中頻抑制等各項性能要求,分配到前端的各項技術(shù)指標為:(1)頻率范圍:30.000~87.975.MHz;(2)增益:13±2 dB(高靈敏度),0±2 dB(低靈敏度);(3)像頻抑制:30~58.975 MHz≥80 dB,59~87.975 MHz≥75 dB;(4)具有高低靈敏度選擇。
2 射頻前端的仿真模型與總體設(shè)計
文中的射頻前端電路原理框圖,如圖1所示。
由圖1可知,前端電路由保護電路,跳頻預選濾波器,低噪聲放大器和自動增益控制電路組成。其中保護電路是接收機射頻前端能在現(xiàn)代復雜電磁環(huán)境下繼續(xù)良好工作的保障,防止接收機因受強信號而造成損壞;跳頻預選濾波器是為了選出接收機的工作頻率信號,濾除其他雜波,提高接收機的選擇性和抑制性;低噪聲放大器實現(xiàn)對接收的微弱信號的不失真放大,提高接收機的靈敏度以及動態(tài)范圍;AGC電路通過檢波器檢測與RF信號成正比的信號,并把它整流成DC電壓,通過比較器與基準電平比較,然后輸入終端,由終端進行控制,以此實現(xiàn)對LNA的增益控制,提高接收機的適應性和穩(wěn)定性。這是該射頻前端設(shè)計的一個獨到之處。
根據(jù)前端的原理框圖,在ADS中構(gòu)建仿真電路圖,高靈敏度條件下的射頻前端電路圖,如圖2所示。低靈敏度條件下的射頻前端電路圖,如圖3所示。
圖2中所用的放大器件為晶體管2N5031和場效應管U310;在電路結(jié)構(gòu)上采用級聯(lián)結(jié)構(gòu),保證足夠的功率增益,其中第一級晶體管電路采用負反饋技術(shù)以保證放大器的穩(wěn)定性。圖3中所用的放大器件為場效應管V310,具有高增益,低噪聲,高穩(wěn)定的特性。
2.1 數(shù)控跳頻預選濾波器的仿真
數(shù)控跳頻預選濾波器的基本作用是對頻率有選擇地通過,把需要的信號選出來,并抑制不需要的信號。濾波器設(shè)計所關(guān)心的主要問題是信號通過濾波器所產(chǎn)生的插損大小,相位變化,以及對不希望信號的抑制能力??紤]到設(shè)計的接收機工作在30~87.975 MHz的頻率范圍內(nèi),并希望實現(xiàn)全頻段覆蓋,以及保持有較高的接收靈敏度,因而最好選擇使用電調(diào)諧濾波器,并且所選電調(diào)諧濾波器應具有較寬的調(diào)諧范圍,較快的電調(diào)諧速度和較高的Q值以實現(xiàn)頻率預選。本項目所設(shè)計的數(shù)控跳頻預選濾波器是采用邏輯芯片控制電容器組的方法來實現(xiàn)濾波器中心頻率調(diào)諧的雙調(diào)諧濾波器。在ADS中的連接圖,如圖4所示,通過調(diào)諧控件對電容C01,C02的容值進行改變得到對選用不同的電容器組的濾波器進行仿真。
從圖5中(a),(b),(c)的仿真結(jié)果中可以看出,中心頻率為86.5 MHz時濾波器的帶寬為3.9 MHz,插入損耗為5.352 dB。中心頻率為60.5 MHz時濾波器的帶寬為2.6 MHz,插入損耗為4.375 dB。中心頻率為30.0 MHz時濾波器的帶寬為1.5 MHz,插入損耗為5.764 dB。帶寬和插入損耗在各頻率點上出現(xiàn)不同的值,原因之一是通過改變電容值來改變中心頻率,另一個原因是在仿真的過程中,把L3設(shè)定為一個固定值,因而在頻率的高端出現(xiàn)了過耦合現(xiàn)象,頻率的低端出現(xiàn)了欠耦合。實際電路設(shè)計時,L3是電感L1、L2的寄生電感,其值是在變化的。從仿真結(jié)果中還可以看出通過濾波器所得的頻率響應是不對稱的,信號在高于中心頻率處的衰減速度要大于在低于中心頻率處,這是因為所設(shè)計的跳頻預選濾波器是通過電感耦合造成的,如果使用的是電容耦合則得到與仿真結(jié)果成鏡像關(guān)系??偟膩碚f,所設(shè)計的跳頻預先濾波器的帶內(nèi)插損和帶寬都達到了系統(tǒng)的設(shè)計要求,其中插損(4~6 dB)、帶寬(1~4 MHz),較好的實現(xiàn)了選頻濾波作用。
2.2 低噪聲放大器(LNA)的仿真
低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,簡稱LNA),是接收機射頻前端的重要組成部分。低噪聲放大器主要有以下幾個特點:首先,它位于接收機的最前端,要求噪聲越小越好。為了抑制后面各級噪聲對系統(tǒng)的影響,要求有一定的增益,但為了不使后面的混頻器過載,產(chǎn)生非線性失真,增益又不能過大,并且要求放大器在工作頻段內(nèi)應該是穩(wěn)定的。其次,它所接收的信號很微弱,低噪聲放大器必定是一個小信號線性放大器。而且受傳輸路徑的影響,信號的強弱又是變化的,在接收信號的同時又可能伴隨許多強干擾信號混入,因此要求放大器有足夠的線性范圍。
2.2.1 LNA的穩(wěn)定性分析
在設(shè)計小信號高頻放大器時,應用S參數(shù)以評估主動元件的振蕩傾向,也是一項不可或缺的程序。穩(wěn)定性是說明主動元件在輸入端和輸出端,接上任何阻抗后仍能穩(wěn)定工作,或是在與某些阻抗組合時,將引發(fā)振蕩的特性。前者稱為無條件穩(wěn)定,后者稱為潛在性不穩(wěn)定。主動元件的穩(wěn)定性,可憑借S參數(shù)的羅列特穩(wěn)定因數(shù)K判定。在導出K之前,需先計算
羅列特穩(wěn)定因數(shù)K為
2.2.2 高增益低噪聲放大器仿真
若K>1,則主動元件無條件穩(wěn)定,可用以與任何信號源阻抗或者負載組合。反之,若ADS2006仿真軟件中進行仿真,設(shè)計了一種性能優(yōu)越的LNA,以滿足系統(tǒng)的要求,并有實際的應用價值。
由表1的仿真數(shù)據(jù)可知,設(shè)計的射頻前端都達到了設(shè)計的性能指標且有一定的提高,特別是在鏡像抑制上要比設(shè)計要求好的多。
4 結(jié)束語
從仿真得到的射頻前端性能指標數(shù)據(jù)分析,在整個工作頻段內(nèi),增益都較為平坦,而且射頻前端的抑制性較好,噪聲系數(shù)較低,達到了預期的設(shè)計指標要求,同時實現(xiàn)了高低靈敏度選擇,自動增益控制功能。與原有的前端性能相比,在抑制性和噪聲系數(shù)上有了較大改善,為下一步實際電路的設(shè)計奠定了一定的基礎(chǔ),縮短了產(chǎn)品設(shè)計的周期,降低了設(shè)計成本。