微波技术

摘 要：某毫米波散射特性测试系统因其中频接收机受外界干扰影响而不能正常工作。本文对中频接收机的原有设计及受干扰情况进行了分析，基于 Genesys 和 ADS 软件重新进行了频率规划和链路预算，选择合适中频、混频器和滤波器以提升抗干扰能力，并增加增益控制功能以满足系统灵敏度和动态范围的要求。此外为提升电磁兼容特性，对中频接收机的 PCB 和屏蔽壳体进行了设计。采用改进后的中频接收机，毫米波散射特性测试系统可正常工作。

关键词：毫米波散射特性测试系统；中频接收机；频率规划；链路预算；电磁兼容

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 

    某毫米波散射特性测试系统主要用于科学准 确地提供目标的毫米波散射特性数据。为提高测 量精度，系统采用背景矢量相减技术[1]，在相同的 测量条件下，分别测量背景、定标体和目标的回 波值，然后分别从目标和定标体中减去背景值作 为新的目标和定标体数据，最后采用多种算法进 行后续的 RCS 计算[2-3]。为提高测试能力，系统采 用全相参体制[4]。为满足不同目标的测试需求，对 接收机分系统的灵敏度和动态范围同时提出了较 高要求。中频接收机用于将毫米波下变频模块输 出的一次中频进行滤波，放大，下变频为二次中 频，再经滤波，放大及抗混叠滤波后输出至数据 采集与处理系统。 

    本文首先对中频接收机的原有设计和受干扰 情况进行了分析，基于 Genesys 和 ADS 软件重新 进行了频率规划和链路预算，选择合适中频及滤 波器以提升抗干扰能力，并增加增益控制功能以 满足系统灵敏度和动态范围的要求[5]。此外对中频 接收机的 PCB 和屏蔽壳体进行了设计，以提升电 磁兼容特性。最后集成至毫米波散射特性测试系 统中进行了系统测试。

1 问题分析

    毫米波散射特性测试系统的接收分系统原设计框图如图1所示。

    天线接收到的毫米波回波信号下变频为一次中频fIF1=1080±5 MHz。原设计选择的第二本振为fLO2=1020MHz，因此二次中频fIF2=60±5MHz。由图1中可知，原设计存在以下问题：

    （1）中频接收机增益偏低，不具备增益控制功能，致使系统仅能对大目标或强反射体进行测试。 

    （2）二次混频器前无镜频抑制滤波器，会导致镜频频段的干扰和噪声下变频至二次中频频段，造成信噪比的恶化[6]。

    （3）中频接收机工作在低频段，电磁干扰较 为严重。镜频频率fIM2=960±5MHz，半中频频段为 fLO2-IF2/2=990±5MHz和fLO2+IF2/2=1050±5MHz。在上 述频段附近存在移动通信fI-960=949-960MHz频段、 民航空管二次监视雷达系统fI-1030=1030±5MHz、 fI-1090=1090±5MHz频段和广播式自动相关监视 （ADS-B）系统1090±1MHz频段的干扰信号。而 采用的一次中频滤波器带宽为1060-1120MHz，其 对1030MHz和1090MHz处干扰信号无抑制，对 960MHz处的干扰信号抑制仅有30dB。 

    （4） 中频接收机无屏蔽壳体，上述干扰信号可 能会造成信噪比恶化。

2 改进设计 

2.1 频率规划 

    重新选择二次中频为 fIF2’=80±5MHz，此时第 二本振为 fLO2’=1000MHz，其镜频频率改变为 fIM2’=920±5MHz。该频段国内仅用于射频识别 （RFID）领域，设备发射功率很小。同时一次中 频滤波器在该频率处的带外抑制提升至 40dB，采 用两级滤波可达到 75dB。此外选择第二本振为 fLO2’=1000MHz，有利于频综分系统对本振信号、 同步信号、控制信号和时钟信号的全相参设计。

     但 fI-1090 干 扰 信 号 经 下 变 频 后 可 产 生 fI-90=90±5MHz 干扰，而 fI-1030处的干扰信号会在混 频器输出端产生 fI-60=2×fI-1030-2×fLO2’=60±10MHz 和fI-90-2=3×fI-1030-3×fLO2’=90±15MHz的杂散信号[7]， 因此在接收机输出端增加了窄带带通滤波器。

    使用 Genesys 软件的 WhatIF 工具对新的频率 规划进行了仿真分析[8]，结果如图 2 所示。二次中 频 fIF2’=80±5MHz 频率范围内无 fIF1和 fLO2’的混频 杂散信号。同时选用的混频器具有较好的杂散响 应特性，其对 2×fIF1-2×fLO2’的杂散抑制能力为 51dBc，对 3×fIF1-3×fLO2’的杂散抑制能力为 75dBc。

2.2 接收机分系统链路预算

    根据项目要求，接收机分系统的噪声系数≤6.5dB，数据处理需要的SNRmin为20dB，系统灵敏度应优于-75dBm；输出P1dB≥8dBm，接收机线性工作动态范围≥63dB。

    使用 ADS 软件对接收分系统进行仿真分析，电路图如图 3 所示，仿真结果如图4 所示。

    由仿真结果可知，高增益时接收分系统增益为 53.68dB，噪声系数为5.65dB，最小输入功率为-78.32dBm。低增益时接收分系统增益为23.68dB，输入 P1dB为-14dBm， 输出 P1dB为 8.68dBm。则接 收分系统动态范围为 64.32dB，满足指标要求。

2.3 中频接收机干扰分析 

    依据灵敏度指标要求，接收机分系统输入端 噪底为-95dBm，经滤波、放大和混频后，在二次 混频器输出端噪底为-79.5dBm。若要求信噪比仅 恶化 0.1dB，带内的干扰信号应低于噪底 16dB[9]。 因此在二次混频器输出端，镜频 fIM2’产生的干扰 信号功率应低于-96dBm。采用了两级一次中频滤 波器，对镜频的抑制约为 75dB。计算得到在中频 接收机输入端，镜频干扰信号只有大于-30.5dBm 时，才会恶化信噪比。在 ADS 软件仿真结果如图 5 所示，镜频干扰信号功率为-30.5dBm 时，系统 信噪比恶化 0.139dB。

    fI-1090处的干扰信号主要通过倒易混频[10和交 调 造 成 信 噪 比 恶 化 。 fI-1090 干 扰 信 号 功 率 为 -36.5dBm 时，系统信噪比恶化 0.1dB，如图 6 所 示。

    fI-1030处的干扰信号主要通过半中频干扰[11]、 三分之一中频干扰及交调造成信噪比恶化。fI-1030 干扰信号功率为-36.5dBm 时，系统信噪比恶化 0.125dB，如图 7 所示。

    由以上分析可知，中频接收机具有较好的抗干 扰特性。 

2.4 PCB 和屏蔽壳体设计 

    PCB版图如图8所示。中频电路、本振电路和 数字电路进行分区布置，采用隔断实现各分区之间的电磁屏蔽。射频线两侧密集排布地孔以减少信号串扰。采用数字地和模拟地分割开，模拟和数字单独供电和电源滤波保证内部EMC性能。接口采用穿墙式的SMA、DB9和穿心电容，提高电磁屏蔽性能。中频接收机实物如图9所示。

3 测试结果

3.1 中频接收机测试结果

    中频接收机测试结果如图10和表1所示。

3.2 整机测试结果 

    接收分系统将改进前后测试结果如表 2 所 示，改进后接收分系统性能得到明显提升。

    改进后的中频接收机集成至毫米波散射特性 测试系统中，对距离 18.5m 的 20dB 三面角反射 器进行测试。在 Matlab 中对数据进行处理，计算 得到多组信号的相位一致性以及对消的结果。 

    从图 11 时域响应对比可知，改进前背景测试 结果只有底噪，改进后可测得背景。

    采用改进后的中频接收机，相邻前后两次采 集到的两组信号具有良好的相位一致性，频域对 消结果接近 20dB，一维像对消结果接近 15dB，如 图 12 和图 13 所示。

    此外测试系统运行 40 分钟后采集的信号与 40 分钟前采集的信号相比，仍然保持相位一致，频域上对消结果仍有5dB，与改进前相比有明显提升。

4 结 论 

    本文针对中频接收机受外界干扰的问题，从频率规划、链路预算、PCB电磁兼容和屏蔽壳体设计等方面进行改进，中频接收机性能有了明显提升。同改进前相比，毫米波散射特性测试系统采集到的信号具有良好的相位一致性，背景的频域和一维像对消能力都有了很大提升。40分钟时间内，系统可以正常工作。