摘 要：某毫米波散射特性測(cè)試系統(tǒng)因其中頻接收機(jī)受外界干擾影響而不能正常工作。本文對(duì)中頻接收機(jī)的原有設(shè)計(jì)及受干擾情況進(jìn)行了分析，基于 Genesys 和 ADS 軟件重新進(jìn)行了頻率規(guī)劃和鏈路預(yù)算，選擇合適中頻、混頻器和濾波器以提升抗干擾能力，并增加增益控制功能以滿足系統(tǒng)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的要求。此外為提升電磁兼容特性，對(duì)中頻接收機(jī)的 PCB 和屏蔽殼體進(jìn)行了設(shè)計(jì)。采用改進(jìn)后的中頻接收機(jī)，毫米波散射特性測(cè)試系統(tǒng)可正常工作。

關(guān)鍵詞：毫米波散射特性測(cè)試系統(tǒng)；中頻接收機(jī)；頻率規(guī)劃；鏈路預(yù)算；電磁兼容

Design of Intermediate Frequency Receiver for Millimeter Wave RCSMeasurement System

LU Yuyao, JIANG Huanyu, HU Weidong (School of Integrated Circuit and Electronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China) 

Abstract: A certain millimeter wave RCS measurement system has malfunction problem due to external interference on its IF receiver. This paper analyzes the original design and interference situation of the IF receiver, re-conducts frequency planning and link budgeting, using Genesys and ADS software for simulation and verification. Suitable intermediate frequency, mixer and filters were selected to improve the anti-interference ability, and gain control ability was added to meet the requirements of sensitivity and dynamic range. In addition, the PCB and shielding shell were designed toimprove its EMC characteristics. By using this improved IF receiver, the system can operate normally. 

Key words：millimeter wave RCS measurement system; IF receiver; frequency planning; fink budget; EMC

引 言 

    某毫米波散射特性測(cè)試系統(tǒng)主要用于科學(xué)準(zhǔn) 確地提供目標(biāo)的毫米波散射特性數(shù)據(jù)。為提高測(cè) 量精度，系統(tǒng)采用背景矢量相減技術(shù)[1]，在相同的 測(cè)量條件下，分別測(cè)量背景、定標(biāo)體和目標(biāo)的回 波值，然后分別從目標(biāo)和定標(biāo)體中減去背景值作 為新的目標(biāo)和定標(biāo)體數(shù)據(jù)，最后采用多種算法進(jìn) 行后續(xù)的 RCS 計(jì)算[2-3]。為提高測(cè)試能力，系統(tǒng)采 用全相參體制[4]。為滿足不同目標(biāo)的測(cè)試需求，對(duì) 接收機(jī)分系統(tǒng)的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍同時(shí)提出了較 高要求。中頻接收機(jī)用于將毫米波下變頻模塊輸 出的一次中頻進(jìn)行濾波，放大，下變頻為二次中 頻，再經(jīng)濾波，放大及抗混疊濾波后輸出至數(shù)據(jù) 采集與處理系統(tǒng)。 

    本文首先對(duì)中頻接收機(jī)的原有設(shè)計(jì)和受干擾 情況進(jìn)行了分析，基于 Genesys 和 ADS 軟件重新 進(jìn)行了頻率規(guī)劃和鏈路預(yù)算，選擇合適中頻及濾 波器以提升抗干擾能力，并增加增益控制功能以 滿足系統(tǒng)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的要求[5]。此外對(duì)中頻 接收機(jī)的 PCB 和屏蔽殼體進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以提升電 磁兼容特性。最后集成至毫米波散射特性測(cè)試系 統(tǒng)中進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。

1 問(wèn)題分析

    毫米波散射特性測(cè)試系統(tǒng)的接收分系統(tǒng)原設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

    天線接收到的毫米波回波信號(hào)下變頻為一次中頻fIF1=1080±5 MHz。原設(shè)計(jì)選擇的第二本振為fLO2=1020MHz，因此二次中頻fIF2=60±5MHz。由圖1中可知，原設(shè)計(jì)存在以下問(wèn)題：

    （1）中頻接收機(jī)增益偏低，不具備增益控制功能，致使系統(tǒng)僅能對(duì)大目標(biāo)或強(qiáng)反射體進(jìn)行測(cè)試。 

    （2）二次混頻器前無(wú)鏡頻抑制濾波器，會(huì)導(dǎo)致鏡頻頻段的干擾和噪聲下變頻至二次中頻頻段，造成信噪比的惡化[6]。

    （3）中頻接收機(jī)工作在低頻段，電磁干擾較 為嚴(yán)重。鏡頻頻率fIM2=960±5MHz，半中頻頻段為 fLO2-IF2/2=990±5MHz和fLO2+IF2/2=1050±5MHz。在上 述頻段附近存在移動(dòng)通信fI-960=949-960MHz頻段、 民航空管二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)fI-1030=1030±5MHz、 fI-1090=1090±5MHz頻段和廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視 （ADS-B）系統(tǒng)1090±1MHz頻段的干擾信號(hào)。而 采用的一次中頻濾波器帶寬為1060-1120MHz，其 對(duì)1030MHz和1090MHz處干擾信號(hào)無(wú)抑制，對(duì) 960MHz處的干擾信號(hào)抑制僅有30dB。 

    （4） 中頻接收機(jī)無(wú)屏蔽殼體，上述干擾信號(hào)可 能會(huì)造成信噪比惡化。

2 改進(jìn)設(shè)計(jì) 

2.1 頻率規(guī)劃 

    重新選擇二次中頻為 fIF2’=80±5MHz，此時(shí)第 二本振為 fLO2’=1000MHz，其鏡頻頻率改變?yōu)? fIM2’=920±5MHz。該頻段國(guó)內(nèi)僅用于射頻識(shí)別 （RFID）領(lǐng)域，設(shè)備發(fā)射功率很小。同時(shí)一次中 頻濾波器在該頻率處的帶外抑制提升至 40dB，采 用兩級(jí)濾波可達(dá)到 75dB。此外選擇第二本振為 fLO2’=1000MHz，有利于頻綜分系統(tǒng)對(duì)本振信號(hào)、 同步信號(hào)、控制信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)的全相參設(shè)計(jì)。

     但 fI-1090 干 擾 信 號(hào) 經(jīng) 下 變 頻 后 可 產(chǎn) 生 fI-90=90±5MHz 干擾，而 fI-1030處的干擾信號(hào)會(huì)在混 頻器輸出端產(chǎn)生 fI-60=2×fI-1030-2×fLO2’=60±10MHz 和fI-90-2=3×fI-1030-3×fLO2’=90±15MHz的雜散信號(hào)[7]， 因此在接收機(jī)輸出端增加了窄帶帶通濾波器。

    使用 Genesys 軟件的 WhatIF 工具對(duì)新的頻率 規(guī)劃進(jìn)行了仿真分析[8]，結(jié)果如圖 2 所示。二次中 頻 fIF2’=80±5MHz 頻率范圍內(nèi)無(wú) fIF1和 fLO2’的混頻 雜散信號(hào)。同時(shí)選用的混頻器具有較好的雜散響 應(yīng)特性，其對(duì) 2×fIF1-2×fLO2’的雜散抑制能力為 51dBc，對(duì) 3×fIF1-3×fLO2’的雜散抑制能力為 75dBc。

2.2 接收機(jī)分系統(tǒng)鏈路預(yù)算

    根據(jù)項(xiàng)目要求，接收機(jī)分系統(tǒng)的噪聲系數(shù)≤6.5dB，數(shù)據(jù)處理需要的SNRmin為20dB，系統(tǒng)靈敏度應(yīng)優(yōu)于-75dBm；輸出P1dB≥8dBm，接收機(jī)線性工作動(dòng)態(tài)范圍≥63dB。

    使用 ADS 軟件對(duì)接收分系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，電路圖如圖 3 所示，仿真結(jié)果如圖4 所示。

    由仿真結(jié)果可知，高增益時(shí)接收分系統(tǒng)增益為 53.68dB，噪聲系數(shù)為5.65dB，最小輸入功率為-78.32dBm。低增益時(shí)接收分系統(tǒng)增益為23.68dB，輸入 P1dB為-14dBm， 輸出 P1dB為 8.68dBm。則接 收分系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍為 64.32dB，滿足指標(biāo)要求。

2.3 中頻接收機(jī)干擾分析 

    依據(jù)靈敏度指標(biāo)要求，接收機(jī)分系統(tǒng)輸入端 噪底為-95dBm，經(jīng)濾波、放大和混頻后，在二次 混頻器輸出端噪底為-79.5dBm。若要求信噪比僅 惡化 0.1dB，帶內(nèi)的干擾信號(hào)應(yīng)低于噪底 16dB[9]。 因此在二次混頻器輸出端，鏡頻 fIM2’產(chǎn)生的干擾 信號(hào)功率應(yīng)低于-96dBm。采用了兩級(jí)一次中頻濾 波器，對(duì)鏡頻的抑制約為 75dB。計(jì)算得到在中頻 接收機(jī)輸入端，鏡頻干擾信號(hào)只有大于-30.5dBm 時(shí)，才會(huì)惡化信噪比。在 ADS 軟件仿真結(jié)果如圖 5 所示，鏡頻干擾信號(hào)功率為-30.5dBm 時(shí)，系統(tǒng) 信噪比惡化 0.139dB。

    fI-1090處的干擾信號(hào)主要通過(guò)倒易混頻[10和交 調(diào) 造 成 信 噪 比 惡 化 。 fI-1090 干 擾 信 號(hào) 功 率 為 -36.5dBm 時(shí)，系統(tǒng)信噪比惡化 0.1dB，如圖 6 所 示。

    fI-1030處的干擾信號(hào)主要通過(guò)半中頻干擾[11]、 三分之一中頻干擾及交調(diào)造成信噪比惡化。fI-1030 干擾信號(hào)功率為-36.5dBm 時(shí)，系統(tǒng)信噪比惡化 0.125dB，如圖 7 所示。

    由以上分析可知，中頻接收機(jī)具有較好的抗干 擾特性。 

2.4 PCB 和屏蔽殼體設(shè)計(jì) 

    PCB版圖如圖8所示。中頻電路、本振電路和 數(shù)字電路進(jìn)行分區(qū)布置，采用隔斷實(shí)現(xiàn)各分區(qū)之間的電磁屏蔽。射頻線兩側(cè)密集排布地孔以減少信號(hào)串?dāng)_。采用數(shù)字地和模擬地分割開(kāi)，模擬和數(shù)字單獨(dú)供電和電源濾波保證內(nèi)部EMC性能。接口采用穿墻式的SMA、DB9和穿心電容，提高電磁屏蔽性能。中頻接收機(jī)實(shí)物如圖9所示。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 中頻接收機(jī)測(cè)試結(jié)果

    中頻接收機(jī)測(cè)試結(jié)果如圖10和表1所示。

3.2 整機(jī)測(cè)試結(jié)果 

    接收分系統(tǒng)將改進(jìn)前后測(cè)試結(jié)果如表 2 所 示，改進(jìn)后接收分系統(tǒng)性能得到明顯提升。

    改進(jìn)后的中頻接收機(jī)集成至毫米波散射特性 測(cè)試系統(tǒng)中，對(duì)距離 18.5m 的 20dB 三面角反射 器進(jìn)行測(cè)試。在 Matlab 中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算 得到多組信號(hào)的相位一致性以及對(duì)消的結(jié)果。 

    從圖 11 時(shí)域響應(yīng)對(duì)比可知，改進(jìn)前背景測(cè)試 結(jié)果只有底噪，改進(jìn)后可測(cè)得背景。

    采用改進(jìn)后的中頻接收機(jī)，相鄰前后兩次采 集到的兩組信號(hào)具有良好的相位一致性，頻域?qū)? 消結(jié)果接近 20dB，一維像對(duì)消結(jié)果接近 15dB，如 圖 12 和圖 13 所示。

    此外測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行 40 分鐘后采集的信號(hào)與 40 分鐘前采集的信號(hào)相比，仍然保持相位一致，頻域上對(duì)消結(jié)果仍有5dB，與改進(jìn)前相比有明顯提升。

4 結(jié) 論 

    本文針對(duì)中頻接收機(jī)受外界干擾的問(wèn)題，從頻率規(guī)劃、鏈路預(yù)算、PCB電磁兼容和屏蔽殼體設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行改進(jìn)，中頻接收機(jī)性能有了明顯提升。同改進(jìn)前相比，毫米波散射特性測(cè)試系統(tǒng)采集到的信號(hào)具有良好的相位一致性，背景的頻域和一維像對(duì)消能力都有了很大提升。40分鐘時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)可以正常工作。