电离层探测系统模拟接收前端设计

张天龙

介绍了一种电离层探测系统模拟接收端的实现方法，由两级VGA及跟踪滤波器组成，能够适应复杂电磁环境系的电离层探测并驱动后级ADC。VGA电路设计兼顾低噪小信号放大和抗饱和能力，电调谐跟踪滤波器有效抑制带外干扰。

【关键词】电离层 探测系统 设计

短波是重要的战略频率资源，在战略通信、超视距探测等应用中拥有无可替代的作用。短波由于其电离层反射传播的传播方式带来的抗打击能力和超视距传播能力被人们重视，新的短波技术快速涌现。这些技术依赖于良好的信道建模和信道参数，因此对电离层进行探测和研究也受到重视。电离层探测系统通过向电离层发射脉冲调制信号进行频率扫描，并对电离层回波的信号的时延、振幅、多普勒频移等参数进行测量。

天线感生到的回波信号的电平变化幅度很大，需要模拟接收端具有增益控制功能以便使ADC能够有效的对接收信号进行采样。与一般的短波接收机不同，电离层探测需要对回波信号的幅度进行测量以便得到电离层对电波的衰减特性，因此增益需要受到系统的具体控制。短波波段有大量的干扰信号，干扰信号可能远大于测量信号，使放大器无法对测量信号进行有效放大，需要接收前端能与发射频率相协调进行窄带跟踪滤波来抑制带外干扰。

1 接收前端功能与结构

电离层探测系统的接收天线接收到的0.6～32MHz的回波信号先经过位于天线附近的预处理电路后的50欧信号传递给模拟接收前端进行处理，在模拟端接收前端进行放大滤波处理后再经ADC转换（76MHz）、数字下变频、 数字滤波等数字化处理后将接收数据传送给计算机进行分析处理。电离层探测系统模拟接收前端电路由第一VGA、跟踪电调谐滤波电路、第二VGA以及控制电路组成。

第一级VGA为低噪放大器，的增益范围为-32dB～23dB，较低的噪声系数和较大的前级增益可以提高系统的噪声特性，但第一级VGA的输出不宜过大，一是第一级输入为宽带信号，大增益输出时放大器的非线性会产生大量的互调干扰，而在恶劣的电磁环境下，强干扰进入放大器会使放大器出现饱和，影响对有用信号的处理能力。另一方面，由于后级的跟踪滤波电路特性，过大的输入信号会对其性能造成影响。而在恶劣的电磁环境下，第一VGA会对信号进行衰减来稳定跟踪滤波器的特性。

信号先经过第一VGA进行放大后进入跟踪滤波器抑制带外干扰信号，消除干扰信号对第二VGA影响。跟踪滤波的重点在于提供精准的中心频点和较窄的带宽，更进一步滤波由数字系统完成。跟踪滤波器为分波段的电调谐窄带滤波器，采用分波段结构，各波段中心频点电控可调，而电离层探测中会以线性步长进行脉冲频率扫描，因此期望跟踪滤波的绝对带宽保持不变。

经过滤波的窄带信号进入第二VGA进行放大，此时由于信号变为窄带信号且对带外干扰进行了有效抑制，第二VGA的增益可以比较大，增益范围设为17～48dB。跟踪滤波器和低通滤波器存在约5dB的衰减，考虑设计指标及设计余量，系统使用的增益范围设为-18～63dB。

模拟接收前端的增益、跟踪滤波的中心频点等参数由电离层探测系统通过通信接口传递给控制电路并由微控制器负责具体控制。

2 电路设计

2.1 VGA电路

第一VGA需要直接处理天线感生信号，在强干扰情况下可能使放大器产生饱和，而在良好电磁环境下又希望其拥有良好的噪声特性，因此第一VGA采用分路设计，分别为直接衰减通路和放大衰减通路，由两个HMC545模拟开关配合选择输入信号进入放大器后通过衰减器还是直接通过衰减器。放大器采用GaL-74单片式放大器，它结构简单实用方便，在提供25dB的固定增益，1dB压缩点高达19dBm，能够在较强干扰下不出现饱和，噪声系数低达2.7dB，很适合作为前级低噪声放大器。衰减器采用HMC307程控衰减器，它在短波波段拥有良好的特性和较小的误差，插入损耗约为1.7dB提供0～31dB步长为1dB的程控衰减。因此两个通路共同形成了-32～23dB的增益范围。

第二VGA与第一VGA相似，采用相同的芯片，不同的是VGA结构采用了放大衰减放大结构，此结构既保证了较小的噪声系数又减小了输入过载输出饱和的几率。

2.2 跟踪滤波电路

电调谐滤波器采用分波段结构，将0～32MHz频带分为6个波段，频带覆盖率为1.94。进行再带滤波考虑谐振滤波的电路，以电容为可变电抗。耦合谐振回路矩形系数较好，带外能力较强，但是耦合系数会随电抗的改变而变，且等品质因数下带宽较大，因此采用单谐振回路。单谐振回路的带宽BW=f0/QL其中f0=为谐振频率，QL为带负载品质因数，并联谐振QL=ω0 C/g，，串联谐振QL=ω0 L/R因此并联、串联谐振灰度的带宽分别为g/2πC和R/2πL，其中g、R分别为折合到谐振回路电导和电阻。为了使绝对带宽保持不变，以电容作为可变电抗时应采用串联谐振电路。

可变电容通过头对头的变容二极管实现，控制电路DA输出控制电压经高压运放反向作用于变容管，为了使变容管工作在理想区域，-5V的电压作用于变容二极管的正向。为了得到较窄带宽需要提高谐振回路的品质因数，在两端采用4：1和1：4匝数比的理想变压器降低谐振回路的等效电阻。根据BW=R/2πL选择电感，使带宽占所在段的3%左右。输入信号由变压器直接耦合至6个波段，各波段输出分别使用变压器耦合并用PIN管开关电路选择输出。

串联谐振的电抗电压较大，信号会改变变容管两端的电压使谐振频率发生漂移，产生寄生调制造成非线性压缩，因此跟踪滤波的输入电压不易过大，而这限制了第一VGA的增益。

3 结论

设计电路适用于小功率数字化电离层探测系统，能够确保在存在大功率干扰对探测信号的有效接收，噪声系数最低为2.9dB，配合满量程2伏14位DAC灵敏度达-120dBm。

参考文献

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作者单位

武汉理工大学信息工程学院 湖北省武汉市 430070