专利名称：L波段雷达接收机射频前端电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及雷达接收机技术领域，尤其涉及一种L波段雷达接收机的射频前端电 路。
背景技术：
作为雷达系统的重要组成部分，雷达接收机的主要功能是对雷达天线接收到的微 弱信号进行放大、变频、滤波及数字化处理，同时抑制来自外部的干扰、杂波以及机内的噪 声，使信号保持尽可能多的目标信息，以利于进行下一步的信号处理和数据处理。频带宽、 低噪声、大动态和高稳定是现代接收机的要求。自从1992年软件无线电概念提出以来，由于其杰出的通用性和开放性，软件无线 电接收机获得了充分的重视和发展。现代软件无线电接收机结构一般包括射频低通采样数 字化结构、射频带通采样数字化结构、宽带中频带通采样数字化结构和零中频基带数字化 结构，其中，宽带中频带通采样数字化结构由于其灵敏度高和抗干扰能力强，稳定可靠，设 计灵活，在现代雷达系统中得到了广泛的应用。L波段(IGHz 2GHz)的雷达接收机作用距离远，外部噪声较低，天线尺寸不太大， 角分辨率也较好。许多微波单片集成电路(MMIC)都可以工作在这一频段，具有良好的性 能价格比，迅速发展的滤波器小型化技术也为这个波段雷达接收机的实现提供了良好的手 段。一般的中频带通采样数字化接收机在A/D变换之前完成滤波、放大、增益控制和 变频等功能，把较高的载波频率变换到较低的中频。A/D变换后如果数据率不高，可直接 送到DSP ；A/D变换后如果数据率较高，则需要先进行数字下变频降速并变换到基带数字信 号，再送到DSP。DSP实现对各种数据率相对较低的数字信号处理，完成各种解调、解码、纠 错等功能。随着数字技术的飞速发展，接收机数字处理越来越稳定、灵活，接收机发展的难 点就越来越体现在数字化之前的射频和A/D模块。这就要求射频前端频带宽、动态范围大、 灵敏度高、噪声系数低、镜像抑制度高、线性度高、体积小、功耗低、稳定度高，并且电路尽量 简洁。这些指标互相之间有些存在矛盾，需要综合考虑。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明的目的是提供一种L波段雷达接收机的射频前 端电路，以达到高灵敏度、大动态范围、低噪声系数、高线性度、抗干扰能力强、调试方便和 体积小的要求。为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案二极管限幅器(100)、收发开关(101)、低噪声放大器(102)、射频LC带通滤波器 (103)、下变频混频器(104)、声表面波滤波器(105)、可变增益放大器(106)、中频放大器 (107)；天线接收到的L波段射频信号经过二极管限幅器(100)、收发开关(101)、低噪声放大器(102)和射频LC滤波器(103)后送至下变频混频器(104)变换为中频信号，再经过窄带的声表面波滤波器(105)，最后经可变增益放大器(106)和中频放大器(107)输出到
A/D 器。所述二极管限幅器使用两个方向相反的肖特基二极管组成双向限幅电路。所述收发开关使用单片吸入式射频开关芯片ADG901BRM，通过外部的TB信号控制 收发开关的通断。所述低噪声放大器前后设置有PI型网络，所述中频放大器前后设置有PI型网络， 所述PI型网络由三个电阻组成。所述低噪声放大器采用RF2320芯片构成。所述下变频混频器采用LT5522芯片构成。所述可变增益放大器采用HMC626LP5芯片构成。所述中频放大器采用RF2317芯片构成。本发明具有以下优点和积极效果1)将低噪声放大器置前，可将天线、收发开关和低噪声放大器紧凑的制作在一起， 有利于减小由馈线损耗带来的不利影响；将预选滤波和镜像抑制功能由一个射频段的高性 能LC带通滤波器实现，简化了系统结构而又不削弱系统指标，同时将滤波器置于低噪声放 大器之后，改善了系统噪声性能和灵敏度，而限幅器的使用又能有效保护低噪声放大器；2)采用的双平衡混频器内部集成RF输入变压器和高速差分LO缓冲放大器，RF和 LO输入被内部匹配成宽带单端输入，具有性能高、外部元件少、体积小和功耗低的优点；3)中频段的声表面波滤波器带宽窄而插入损耗小，同时带外抑制度高，性能优越； 射频接收模块的带内波动极小，中频模块采用高性能的6bit数控增益放大器，步进小而 可控范围大；所有器件的输入IdB功率压缩点都超过了 IOdBm,放大器芯片更是都超过了 20dBm，输出三阶截点几乎都达到了 30dBm以上，线性度很高，系统动态范围较大；4)公共电源和每个负载之间都使用了小型的三端EMI滤波器，有利于降低接口 的干扰，提高电路的抗外界电磁干扰能力；阻抗互不匹配的芯片之间设置PI型电阻衰减网 络，在宽频段范围内，既能实现阻抗匹配，又实现了前后级隔离，通过适当选取设计数值还 可以将衰减减到IdB以下；较高的中频简化了射频滤波器的设计，且商业化产品较多，中频 滤波器实现容易；窄带的较高中频信号降低了 A/D采样的设计难度，有利于数字处理部分 的设计。
图1是本发明提供的L波段雷达接收机射频前端电路结构框图。图2是本发明中低噪声放大器及其前后PI型网络的电路图。图3是本发明中混频电路的电路图。图4是本发明中数控可变增益放大电路的电路图。图5是本发明中固定增益放大器及其前后PI型网络的电原理图。
具体实施例方式下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明
本发明提供的L波段雷达接收机射频前端电路，具体采用以下技术方案，参见图 1，包括二极管限幅器100、收发开关101、低噪声放大器102、射频LC带通滤波器103、下变频混频器104、声表面波滤波器105、可变增益放大器106、中频放大器107 ；天线接收到的L波段射频信号经过二极管限幅器100、收发开关101、低噪声放大 器102和射频LC滤波器103后送至下变频混频器104变换为中频信号，再经过窄带的声表 面波滤波器105，最后经可变增益放大器106和中频放大器107输出到A/D器。从天线送出的信号，首先通过限幅器100，限幅器100使用两个方向相反的肖特基 二极管组成双向限幅电路，防止过大的信号功率损坏接收机；收发开关101使用单片吸入式射频开关芯片ADG901BRM，其工作频率最高达到 2. 5GHz，在IGHz时输入IdB功率压缩点达17dBm，隔离度达37dB，而插入损耗仅为0. 8dB。 通过外部的TB信号控制此开关的通断；经过收发开关101后，射频信号进入低噪声放大器102及其前后PI型网络；PI型 网络由三个电阻组成，是一种兼具阻抗匹配和前后级隔离的衰减网络，工作频带非常宽，选 取适当的电阻值可以使衰减降低到IdB以下，而当需要更大的衰减时，改变相应的电阻值 即可；由于低噪声放大器102和固定增益放大器均是标准的75欧姆输入输出阻抗，所以PI 型网络相应地设置在低噪声放大器和固定增益放大器前后；经过低噪声放大器102及其前后PI型网络后，射频信号进入射频LC带通滤波器 103，由于射频信号带宽较宽，矩形系数较好的声表面波滤波器和晶体滤波器均不合适，所 以采用LC滤波器；射频LC带通滤波器既要抑制接收机接收频带之外的信号和噪声，还要抑制混频 引起的镜像频率信号；考虑到滤波器节数越多，插入损耗就越大，电路尺寸就越大，但同时 镜像频率抑制度更高；所以这里只能是一个折中的设计滤波器的插入损耗不应太大，滤 波器电路尺寸不要太大，同时又要保证对镜像频率有足够的抑制度。本电路使用4阶滤波 器，插损小于2dB，镜像频率抑制度最低为45dB，满足设计需求。从射频滤波器出来的信号 送入有源双平衡混频器，实现从射频到中频。中频信号首先通过中频滤波器，由于良好的 矩形系数和小插损、窄带宽，采用声表面波滤波器。该滤波器典型插损3.5dB，3dB带宽仅 75KHz，带内波动0. 5dB,中心频率士0. 5MHz以外的阻带抑制度超过40dB ；晶体滤波器可以 达到更窄的带宽，但其成本高，工作频率较低。而LC滤波器无法取得这么窄的带宽和这么 好的矩形系数。因此声表面波滤波器是最好的中频滤波器选择。经过中频滤波器后信号送入可变增益放大器106，这是为了保证系统有较大动态 范围，可以抑制强信号、放大弱信号；最后经过一级固定增益放大器，中频信号可以送入A/ D进行中频采样和后续数字化处理。图2所示为低噪声放大器RF2320及其前后PI型网络的电路图。由图可知， 公共电源过来后经过了三端的EMI滤波器，有利于提高电路抗外界电磁干扰能力，实际 上其他芯片涉及到公共电源的都作了此类处理。根据级联电路噪声系数的计算公式，
<formula>formula see original document page 5</formula>，系统噪声系数主要由前面几级决定，如果
越靠前的电路噪声系数越低，增益越大，那么系统的噪声系数就越低。因此这里需要使用低噪声放大器。考虑到滤波器置于低噪声放大器之前相当于加大了低噪声放大器损耗，恶化 了噪声系数，而L波段外部噪声较低，所以将滤波器设置在低噪声放大器之后，把预选滤波 和镜频滤波的功能集中在一个射频滤波器。我们使用的低噪声放大电 路工作频率最高可达 2. 5GHz，噪声系数低于2dB，在IGHz时增益达到17dB，输出IdB功率压缩点达到25dBm，输出 三阶截点达到34dBm。图3所示是基于LT5522的混频电路的电路图。RF输入频率范围在无外部匹配 (中间频段)时为1. 2GHz 2. 3GHz，我们在输入引脚并联一个2. 2pF的电容器，使得RF最 小输入频率压低到600MHz，从而完全覆盖了 L波段。如果在输入引脚再并联一个3. 9nH的 电感器，可使得RF最大输入频率扩展到2. 7GHz。在无外部匹配的情况下，LO的输入频率 在400MHz到2700MHz之间。进行必要的匹配措施后，中频输出频率在0. IMHz到1000MHz 之间。相较于无源混频器，本电路在集成了 RF输入变压器和限幅LO缓冲放大器的情况下 仍然做到很小的体积，很低的成本，且由于LO缓冲器的集成，使得LO驱动电平降低，在-10 到OdBm均可。在50MHz到2700MHz之间，RF与LO的隔离度超过45dB。在LO处于400MHz 至Ij 2700MHz之间，RF输入功率为-7dBm，LO功率为_5dBm，中频140MHz时，LO至RF的漏泄 低于_50dBm，LO至IF的漏泄低于_49dBm，有着较高的LO-RF隔离度和LO-IF隔离度。在 900MHz处，混频器的输入IdB压缩点达到10. 8dBm,输入三阶截点达到25dBm，有较高的线性 度。中频输出是差分形式，输出阻抗为400欧姆，首先通过图示的三元件网络实现400欧姆 到200欧姆的低通匹配，该网络被调谐至140MHz的中频频率。然后利用4 1的变压器将 200欧姆的差分输出变换为50欧姆单端输出。作为阻抗变换和双端到单端变换，变压器比 用电容电感组成的集总元件网络有更宽的频率适应度，LO和IF的隔离度更好，通过变压器 的中心抽头还提供了两个中频输出引脚所需集电极偏置电压。图4所示是数控可变增益放大器HMC626LP5的电路图。目前的可变增益放大器大 体上分三类，一种是模拟控制的压控增益放大器，利用变化的模拟电压控制增益；一种是利 用SPI接口进行增益控制；一种是利用并行数字接口进行增益控制。后两类都属于数字控 制，比模拟控制更简单易行，但SPI接口需要外部单片机或DSP等提供控制信号，而并行控 制接口可以简单到只用一个拨码开关和一个排阻就可以控制，同时在需要的时候仍然可接 收外部并行控制信号，单片机或DSP对其进行控制丝毫不受影响，大大方便了电路调试工 作，设计上更加灵活可靠。我们使用的这种数控可变增益放大器为6bit控制，步进0. 5dB， 增益变化范围在8. 5dB到40dB之间，满足设计要求，其噪声系数仅为2. 8dB，其输出IdB压 缩点达20dBm，输出三阶截点达36dBm，具有极低的噪声和极高的线性度。图5所示是固定增益放大器RF2317及其前后PI型网络的电路图。为了简化电源 设计，它采用了和低噪声放大器相同的电源。输出脚偏置电阻可以进一步加大，以降低偏 置电压和电流，从而降低功耗。由于输入输出阻抗为75欧姆，和低噪声放大器一样，此处 也采用了 PI型网络进行阻抗匹配和前后级隔离。根据级联电路的输入三阶截点的计算公
<formula>formula see original document page 6</formula>系统输入三阶截点主要由后儿级电力决
定，因此作为最后一级的放大器应当有较高的线性度。我们使用的固定增益放大器增益达 到14. 3dB，在IOOMHz时输出IdB功率压缩点高达25. 5dBm，输出三阶截点高达47dBm，符合 设计对动态范围的要求。从固定增益放大器输出的中频信号，将被送到A/D采样模块进行中频数字化处理。 本发明的主要技术参数为系统灵敏度为-107. 9dBm(S+N/N= 12dB)；系统的增益 变化范围为29. 5dB 61dB ；系统噪声系数为5. 3dB ；系统输入三阶截点为_4dBm，输入IdB 功率压缩点为-25. 4dBm ；系统无杂散动态范围为65. 4dB。系统中频频率为140MHz，中频 3dB信号带宽75KHz ；镜像抑制度大于45dB，中频抑制度大于50dB ；系统输出三阶截点大于 20dBm。线性度高，具有良好的工作性能，有一定应用价值。
权利要求
一种L波段雷达接收机的射频前端电路，其特征在于，包括二极管限幅器(100)、收发开关(101)、低噪声放大器(102)、射频LC带通滤波器(103)、下变频混频器(104)、声表面波滤波器(105)、可变增益放大器(106)、中频放大器(107)；天线接收到的L波段射频信号经过二极管限幅器(100)、收发开关(101)、低噪声放大器(102)和射频LC滤波器(103)后送至下变频混频器(104)变换为中频信号，再经过窄带的声表面波滤波器(105)，最后经可变增益放大器(106)和中频放大器(107)输出到A/D器。
2.根据权利要求1所述的L波段雷达接收机的射频前端电路，其特征在于 所述二极管限幅器使用两个方向相反的肖特基二极管组成双向限幅电路。
3.根据权利要求1所述的L波段雷达接收机的射频前端电路，其特征在于所述收发开关使用单片吸入式射频开关芯片ADG901BRM，通过外部的TB信号控制收发 开关的通断。
4.根据权利要求1、2、3中任一项所述的L波段雷达接收机的射频前端电路，其特征在于所述低噪声放大器前后设置有PI型网络，所述中频放大器前后设置有PI型网络，所述 PI型网络由三个电阻组成。
5.根据权利要求4所述的L波段雷达接收机的射频前端电路，其特征在于 所述低噪声放大器采用RF2320芯片构成。
6.根据权利要求5所述的L波段雷达接收机的射频前端电路，其特征在于 所述下变频混频器采用LT5522芯片构成。
7.根据权利要求5或6所述的L波段雷达接收机的射频前端电路，其特征在于 所述可变增益放大器采用HMC626LP5芯片构成。
8.根据权利要求7所述的L波段雷达接收机的射频前端电路，其特征在于 所述中频放大器采用RF2317芯片构成。
全文摘要
本发明涉及雷达接收机技术领域，尤其涉及一种L波段雷达接收机的射频前端电路。本发明包括二极管限幅器(100)、收发开关(101)、低噪声放大器(102)、射频LC带通滤波器(103)、下变频混频器(104)、声表面波滤波器(105)、可变增益放大器(106)、中频放大器(107)；天线接收到的L波段射频信号经过二极管限幅器(100)、收发开关(101)、低噪声放大器(102)和射频LC滤波器(103)后送至下变频混频器(104)变换为中频信号，再经过窄带的声表面波滤波器(105)，最后经可变增益放大器(106)和中频放大器(107)输出到A/D器。本发明改善了系统噪声性能和灵敏度，性能高、外部元件少、体积小和功耗低的优点。
文档编号G01S7/285GK101833083SQ20101015298
公开日2010年9月15日 申请日期2010年4月16日 优先权日2010年4月16日
发明者赵晨, 郑瑞, 陈泽宗 申请人:武汉大学