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毫米波接收机射频前端设计

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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 /

/SiNiNFSoNo==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: 21311112NFNFNFNFGGG−−=+++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：

17410lgsnmSdBmNFBKK=−++++ (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DP表示，实际的输出响应功率为输出ldB压缩点，用1dBP

表示。因此我们可以得到:

11dBDPPGdB=+− (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 Vout

BPF_ChebyshevBPF1

N=5Astop=20 dBBWstop=1.2 GHzApass=2 dBBWpass=1.6 GHzFcenter=35.75 GHzAmplifier2AMP4

GainCompSat=15 dBTOI=25 dBNF=3.2 dBS12=0S22=polar(0,180)S11=polar(0,0)S21=dbpolar(23,0)TermTerm1Z=50 OhmNum=1TermTerm2Z=50 OhmNum=2BPF_ChebyshevBPF2

Astop=20 dBBWstop=1.2 GHzRipple=0.01 dBApass=1.5 dBBWpass=1.6 GHzFcenter=1.75 GHz

OSCwPhNoiseOSC1P=dbmtow(0)Freq=LOfreqMixerMIX2

ConvGain=dbpolar(-7,0)LO_Rej2=30 dBLO_Rej1=11 dBSideBand=LOWERAmplifier2AMP5

GainCompSat=21.8 dBTOI=37 dBS12=0S22=polar(0,180)S11=polar(0,0)S21=dbpolar(20.8,0)

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。 Vout

P_1TonePORT3

Freq=LO GHzP=polar(dbmtow(13),0)Z=50 OhmNum=3P_1TonePORT4

Freq=RF_IN GHzP=polar(dbmtow(-15),0)Z=50 OhmNum=1

VARVAR1LO=34RF_IN=35.75BPF_ChebyshevBPF3

Astop=20 dBBWstop=1.2 GHzRipple=0.01 dBApass=2 dBBWpass=1.6 GHzFcenter=35.75 GHzAmplifier2AMP3

GainCompSat=11 dBTOI=21 dBNF=2.1 dBS12=0S22=polar(0,180)S11=polar(0,0)S21=dbpolar(17,0)Amplifier2AMP4

GainCompSat=22 dBTOI=37 dBS12=0S22=polar(0,180)S11=polar(0,0)S21=dbpolar(13,0)MixerMIX2

GainCompSat=1.5 dBTOI=9.5 dBS33=0S22=polar(0,180)S11=polar(0,0)ConvGain=dbpolar(-9.5,0)RF_Rej=28 dBLO_Rej2=35 dBLO_Rej1=42 dBImageRej=SideBand=LOWERBPF_ChebyshevBPF4

Astop=20 dBBWstop=1.2 GHzRipple=0.01 dBApass=1.5 dBBWpass=1.6 GHzFcenter=1.75 GHz

HarmonicBalanceHB1

Order[2]=3Order[1]=3Freq[2]=RF_IN GHzFreq[1]=LO GHzMaxOrder=4HARMONIC BALANCETermTerm2Z=50 OhmNum=2

图6 接收机射频前端的谐波平衡仿真模型

当RFfreq = 35.75GHz,LOfreq = 34GHz，RFP = -15dBm,LOP = 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 0 226.413 -224.048

表3 本振泄漏

freq Mix(1) Mix(2) Spur_dBc dBm(Vout)

35.75 GHz 0 1 223.359 -220.994

表4 射频泄漏

4.2.3 谐波双音仿真 VinVout

VARVAR1

RFpwr=-15LOpwr=13LO=34 GHzOffset=5 MHzRF_IN_0=RF_IN+OffsetRF_IN=35.75 GHzP_1TonePORT3

Freq=LOP=polar(dbmtow(LOpwr),0)Z=50 OhmNum=3BPF_ChebyshevBPF2

Astop=20 dBBWstop=1.2 GHzRipple=0.01 dBApass=1.5 dBBWpass=1.6 GHzFcenter=1.75 GHzMixerMIX1

GainCompSat=1.5 dBTOI=9.5 dBS33=0S22=polar(0,180)S11=polar(0,0)ConvGain=dbpolar(-9.5,0)RF_Rej=28 dBLO_Rej2=35 dBLO_Rej1=42 dBImageRej=SideBand=LOWERAmplifier2AMP2

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短波发射机射频前端放大电路设计

短波发射机射频前端放大电路设计

短波发射机射频前端放大电路设计

提纲：

1. 电路拓扑结构

2. 功耗及散热问题

3. 外部干扰及抗干扰性能

4. 射频信号质量

5. 调试和实验验证

1. 电路拓扑结构

短波发射机射频前端放大电路的拓扑结构包括：功率放大器和驱动放大器。功率放大器负责将低功率信号放大至一定功率，驱动放大器则将输入信号放大至合适的功率水平，以驱动功率放大器。近年来，类F和类E功率放大器成为了主流选择，其拓扑结构简单，效率高。

类F功率放大器是一种抽取频率的方法，其拓扑与类D功率放大器相似。类E功率放大器是综合了电容和电感的有源装置，并利用开关管的电感时保证其在高频下的效率。这两种拓扑结构中，类E功率放大器具有更高的效率，善于处理宽带信号，但类F功率放大器的拓扑结构较为简单，容易实现。

驱动放大器的拓扑结构较为单一，通常采用差分、全差分、共模、反相等传输方式。差分方式具有较好的共模抑制性能，可有效抑制输入信号与噪声的共模干扰；全差分方式相对复杂，但在高速传输上有明显优势；共模和反相方式可分别用于差分和全差分输出，但这两种方式都存在失真问题。

2. 功耗及散热问题

功率放大器的功耗通常较大，同时也带来了散热问题。为了实现高效且可靠的散热，常用的方法包括利用散热片、散热管和水冷等。散热片是最常见的散热方式，但其散热效率不够高，无法满足高功率放大器的需求。散热管则解决了这一问题，其结构类似于热管，能将热量从高处传递至低处，同时保证热传导的均匀性。水冷方式则利用水的热传导性能，在功率放大器内部设置通道，通过水循环实现散热。

除此之外，功率放大器的电源设计和电源管理也是影响功耗和散热的重要因素。尝试在多个单元电源之间分配负载是一种有效的电源管理策略。当瞬态负载峰值保持在合理水平时，能降低电源出现异常的风险。

3. 外部干扰及抗干扰性能

短波发射机前端放大电路需要具备较强的抗干扰能力，以避免因外部射频干扰而导致的信号质量降低。干扰的来源可能是来自周边环境的无线电信号和其他外部信号。为了增强抗干扰能力，需要考虑减少电路的敏感度。

毫米波雷达前端系统设计

毫米波雷达前端系统设计

龙源期刊网

毫米波雷达前端系统设计

作者：陈 俊 苏凯雄 黄小玉

来源：《现代电子技术》2008年第17期

摘 要：首先对毫米波雷达前端系统设计原理进行了阐述，接着对雷达前端系统的各个组成部分：振荡器、0/π调相器、功率放大器以及混频器的设计进行了介绍，采用了微带电路的设计方法，设计出该毫米波雷达前端系统，并对整个系统进行了测试，得到了相应的测试数据，最终的测试结果显示，该系统已经达到预期的设计要求。

关键词：振荡器；0/π；调相器；功率放大器；混频器

中图分类号：TN958.95 文献标识码：A 文章编号：1004373X(2008)1703702

Design of Millimeter-wave Radar Front-end System

CHEN Jun,SU Kaixiong,HUANG Xiaoyu

(Physics and Information Engineering College,Fuzhou University,Fuzhou,350003,China)

Abstract：The paper first describes the principles the design of millimeter-wave radar front-end

system,and then introduces various components of the system:oscillator,0/π phase modulation,power

amplifier and mixer design,by using the microstrip circuit design methods,the design of millimeter-wave radar front-end system is realized,and the whole system is tested,getting the corresponding test

毫米波上下变频器及相控阵波束赋形芯片研发和产业化项目-概述说明以及解释

毫米波上下变频器及相控阵波束赋形芯片研发和产业化项目-概述说明以及解释

毫米波上下变频器及相控阵波束赋形芯片研发和产业化项目-概述说明以及解释

1.引言

1.1 概述

概述:

毫米波通信技术是当前移动通信领域研究的热点之一。随着无线通信需求的不断增长，传统的射频波段已经无法满足高速传输和大容量通信的要求。而毫米波通信技术通过利用高频段的电磁波，可以提供更大的频谱资源和更高的传输速率，因此被广泛应用于5G通信等领域。

然而，毫米波通信存在着许多技术挑战。其中之一是频率空间覆盖范围较窄，信号传输会受到路径损耗和衰减的影响，导致传输距离较短。为了克服这一问题，上下变频器被引入到毫米波通信系统中。上下变频器可以实现将高频信号转换成低频信号进行处理，以增加信号的传输距离。

相控阵波束赋形芯片则是在毫米波通信中实现高效通信的关键技术之一。相控阵波束赋形芯片通过对发射和接收的天线阵列进行精确的相位控制，可以实现信号的定向传输和接收。这种技术不仅可以提高信号的传输距离和传输速率，还可以抵抗多径效应和干扰，提高通信系统的可靠性和稳定性。

本文重点研究了毫米波上下变频器和相控阵波束赋形芯片的研发和产业化项目。通过对这两个关键技术的深入研究和开发，可以提高毫米波通信系统的性能和可靠性，从而推动5G通信和其他高速无线通信技术的发展。研发项目的意义在于促进我国通信技术的创新和产业化，提升我国在国际通信领域的竞争力。产业化前景展望包括了对毫米波通信技术在5G通信、智能交通、智能制造等领域的广泛应用，并对相关产业链的发展进行了展望。

1.2 文章结构

本文将分为三个部分进行阐述。首先，在引言部分概述毫米波上下变频器及相控阵波束赋形芯片研发和产业化项目的背景和意义。然后，在正文部分分别介绍毫米波上下变频器研发和相控阵波束赋形芯片研发的关键技术和进展情况。最后，在结论部分总结研发项目的意义，并探讨其产业化前景展望。通过这样的结构，本文旨在全面介绍该项目的技术研究成果和实际应用前景。接下来，将分别详细介绍这三个部分的内容。

一种用于集成天线封装(AiP)的低剖面、低成本的毫米波微带天线设计

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一种用于集成天线封装(AiP)的低剖面、低成本的毫米波微带天线设计

汪鑫;王启东;曹立强

【摘 要】讨论了毫米波微带天线的工作原理、结构及其与射频前端的集成.介绍了基于CST STUDIO SUITE 2014软件设计中心频率为27 GHz微带天线的整个设计流程.设计了以Rogers 5880有机基板为介质材料的27 GHz毫米波微带天线,相对于以LTCC为介质的天线拥有低成本、低剖面的优点.提出一种毫米波微带天线与射频前端的集成方案,建立了天线与帯通滤波器仿真模型并提取S参数.论证毫米波微带天线与射频前端集成的可行性.所设计的微带天线尺寸只有3.8 mm×3.5

mm,天线的增益达到了7.62 dBi,辐射效率高达93%,相对带宽为2.3%,且实测值与仿真值吻合得很好,验证了设计的正确性.%The working principle and structure

of millimeter-wave microstrip antenna and its integration with RF front-end are discussed. The whole design process of the microstrip

antenna(whose center frequency is 27 GHz)based on CST STUDIO SUITE

2014 software is introduced. The millimeter-wave microstrip antenna

working at 27 GHz was design,in which the Rogers 5880 organic substrate

is utilized as the dielectric material. It has the advantages of low cost and

low profile in comparison with the antenna taking LTCC as its dielectric. An