毫米波接收机射频前端设计

毫米波接收机射频前端ADS仿真设计
赵涔伶羊恺
电子科技大学空天科学技术研究院 610054
摘要：本文应用ADS软件对毫米波频段的接收机射频前端系统进行了建模和仿真。

采用超外差结构接收机，对接收机射频前端进行了指标分配，运用S参数仿真、谐波平衡仿真、谐波双音仿真等仿真方法对此接收机射频前端系统的各种性能参数进行了模拟检测。

关键词：毫米波、接收机、射频前端、ADS仿真
一、 引言
毫米波是整个电磁频谱里不可缺少的一段，具备微波系统和红外系统的特点。

毫米波技术是当今微波技术领域最敏感的课题之一,现代的通信、电子对抗、遥感遥测、雷达与制导系统的工作频率已逐步由微波波段扩展到毫米波波段，同时毫米波具有频带宽、波束窄、保密和抗干扰能力强、容量大等优点受到各界关注。

而毫米波系统在民用通信、军事、射电天文、遥感遥测系统以及生物效应等方面的应用越来越广泛，作为系统主体部分的接收前端子系统则对整个系统起着至关重要的作用，它的性能和价格直接影响整个系统的的目标能否达到[1]。

本文提出了应用ADS软件对毫米波频段的接收机射频前端系统进行了建模和仿真。

在ADS软件环境下运用了S参数仿真、谐波平衡仿真、谐波双音仿真等仿真方法对此接收机射频前端系统的噪声系数、增益、中频输出、三阶交调等各种性能参数进行了模拟检测。

二、 接收机射频前端的组成
本文采用超外差式接收机，其射频前端部分的结构方框图如下图1所示。

信号经天线进入接收机首先经过射频低噪声放大器放大，经由射频滤波器抑制镜像干扰和其他杂散信号，再与本振相混频，变换成中频信号，经过滤波放大得到中频输出。

图1 超外差接收机射频前端方框图
三、 接收机主要性能指标理论分析[2-3]
3.1 噪声系数
噪声系数定义为接收机输入信噪比和输出信噪比的比值，表达式为
//Si Ni
NF So No
=
=
输入端信噪功率比输出端信噪功率比 (1) 噪声系数表征接收机内部噪声的大小。

对于一个多级级联系统的噪声系数为:
2131
1112NF NF NF NF G G G −−=+++K (2)
其中NFn 为第n 级的噪声系数，Gn 为第n 级的增益，n=l，2，3…。

3.2 灵敏度
接收机的灵敏度表征了接收机接收微弱信号的能力。

灵敏度越高，则其所接收的信号就越弱。

定义为：
17410lg sn m S dBm NF B K K =−++++ (3)
其中:S 为接收机灵敏度；NF 为接收机噪声系数；B 为中频带宽；Ksn 为检测信号所需的信噪比；Km 为调制特性函数，与信号的调制类型有关。

3.3 动态范围
动态范围表示接收机正常工作时，所允许的输入信号的强度变化范围。

所允许的最小输入信号强度通常取最小可检测信号MDS，所允许的最大输入信号强度则根据正常工作要求的1dB 压缩来定。

ldB 压缩点是指当输出功率与线性时相比减小ldB，或转换损耗增加ldB 的点，其对应的输入功率称为输入ldB 压缩点，用D P 表示，实际的输出响应功率为输出ldB 压缩点，用1dB P 表示。

因此我们可以得到:
11dB D P P G dB =+− (4)
最小可检测信号为：
MDS=-171dBm+10lgB+NF (5) 3.4 增益
增益表示接收机对回波信号的放大能力。

增益并不是越大越好，它由接收机的系统要求确定的。

接收机的增益确定了接收机输出信号的幅度。

四、 ADS 系统建模与仿真
本文中要求该接收机射频频率为35-36.5GHz,本振频率为34GHz，中频输出频率为1-2.5GHz。

4.1 系统建模和主要指标的估算
Term Term2Z=50 Ohm
Num=2OSCwPhNoise OSC1
P=dbmtow(0)
Freq=LOfreq
图2 接收机射频前端的ADS 模型
根据设计需要可在ADS 中搭建出接收机射频前端的模型如图2。

根据上述理论分析可用计算公式估算出以下几个主要指标：
系统最大增益：17 dB 噪声系数：3.379 dB
灵敏度（按信噪比12dB）：S=-174+3.379+10log(1.5*10^9)+12=-66.86 dBm 最小可检测信号：MDS=-171+10log(1.5*10^9)+3.379=-75.86 dBm 线性动态范围：DR=P1dB-MDS=(-6)-(-75.86)=69.86 dB 整机输出三阶互调：20.282 dBm
4.2 不同的ADS 仿真方法检测系统指标
4.2.1 S 参数仿真
在搭建出的接收机射频前端模型中加入S 参数仿真器，。

由此可得到接收机增益、噪声和群延时的仿真结果分别为图3、图4和图5。

从图3可看出系统最大增益为17.574dB，与计算结果相符；邻道抑制达到了50dB；通频带宽为1.5GHz；通带内的波动不大于0.15dB。

由图4可看出通带内的噪声系数大约为
3.3dB，也与计算的结果相一致。

图
3 接收机信道选择性仿真结果
图4 接收机噪声系数
图5 群延时
4.2.2 谐波平衡仿真
如图6建立接收机射频前端子系统的谐波平衡法仿真模型，可以得到接收机中频输出频谱，以及所有的干扰功率和信号输出。

Order[2]=3
图6 接收机射频前端的谐波平衡仿真模型
当RFfreq = 35.75GHz,LOfreq = 34GHz，RF P = -15dBm,LO P = 13dBm 时的接收机中频输出频谱如图7
所示，此中频信号附近的干扰信号都很弱，都小于-120dBm。

图7 接收机中频输出频谱
另外，首先可列出接收机的中频输出功率的测量方程，由于输出的信号是靠混频产生的，
因此需要用函数mix 来定义方程，如下所示，式中的{}中的-1表示本振，1表示射频输入，结果即是中频输出。

即中频输出功率的测量方程为：
Pif=dBm(mix(Vout,{-1,1})) (6)
再定义Spur_dBc 为所有的干扰功率和信号输出的比值,除期望得到的中频输出外，该值越大表示干扰信号功率越小：
Spur_dBc= Pif- dBm(Vout) (7)
将式（6）和式（7）加入仿真结果的等式中便可得到接收机混频产物的列表。

表1为中频输出，而表2、3和4确定出最严重的干扰分别为第二阶谐波、本振和射频泄漏。

其中，表2显示出第二阶谐波信号功率均小于-100dB。

表3和表4表示本振泄漏和射频泄漏均小于-200 dB，这说明本振链路和射频链路的隔离都很好。

同理，可以由此仿真模型得到不同射频输入信号下的接收机混频产物。

freq Mix(1) Mix(2) Spur_dBc dBm(Vout) 1.750 GHz
-1
1
0.000
2.365
表1 中频输出
freq Mix(1) Mix(2) Spur_dBc dBm(Vout) 3.500 GHz -2 2 126.657 -124.292 139.5 GHz
2
2
331.451
-329.086
表2 第二阶谐波
freq Mix(1) Mix(2) Spur_dBc dBm(Vout) 34.00 GHz
1
226.413
-224.048
表3 本振泄漏
freq Mix(1) Mix(2) Spur_dBc dBm(Vout) 35.75 GHz
1
223.359
-220.994
表4 射频泄漏
4.2.3 谐波双音仿真
RFpwr=-15
LOpwr=13LO=34 GHz Offset=5 M Hz RF_IN_0=RF_IN+Offset RF_IN=35.75 GHz
Reverse=no
SweepP lan=UseSweepPlan=Start=31.5 GHz Stop=40 GHz Step=0.5 GHz Lin=SweepP lan="SwpPlan1"
SweepVar="RF_IN"Order[3]=3
Order[2]=3
图8 接收机射频前端的谐波双音仿真模型
如图8建立谐波双音仿真的模型，由此可得到各种射频频率下的交调产物，其中35.75GHz的射频频率的交调产物如下表5所示：
表5 35.75GHz的射频频率的交调产物
在仿真结果中加入以下五个等式，可进一步得到接收机的中频输出三阶交调IP3和射频输入IP3,见表6和表7，与前文公式计算得出三阶交调结果20.282 dBm相近。

IP3_out_low=ip3_out(Vout,{-1,1,0},{-1,2,-1})
IP3_out_high=ip3_out(Vout,{-1,0,1},{-1,-1,2})
IP3_in_low=ip3_in(Vout,gain,{-1,1,0},{-1,2,-1},50)
IP3_in_high=ip3_in(Vout,gain,{-1,0,1},{-1,-1,2},50)
gain=dbm(mix(Vout,{-1,1,0}))+15(8)
表6 接收机中频输出IP3
表7 接收机射频输入IP3
五、 结论
本文利用了ADS软件对毫米波接收机射频前端子系统进行了设计，同时通过软件仿真对系统的各种特性进行了全面的模拟，其中某些指标与公式计算得出的结果相近，但ADS更省时，且更加形象直观的表示出接收机子系统的性能，这更显出其独特的优越性和重要性，是系统设计中不可缺少的。

参考文献：
[1]薛良金.毫米波工程基础.哈尔滨工业大学出版社等,2004
[2]戈稳.雷达接收机技术.电子工业出版社,2005
[3]袁杰.实用无线电设计.电子工业出版社,2006。