CNI 系统L 波段接收机射频前端综合化设计方案探讨

张宇晖

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

0 引言

通信导航识别系统(Communiction，Navigation and Identification，CNI)是一种采用综合化设计方案的多功能航电设备，主要完成载机与地面的话音及数据通信、无线电导航、精密测距、航管及监视识别等功能[1]。由于CNI 集成功能较多，如果为每个功能单独设计射频信道，系统硬件设计势必会过度冗余，超额的重量、功耗是载机无法接受的。因此，为了满足CNI 系统高集成度需求，在设计射频信道时需要从顶层设计出发，以相近频段的功能需求为基础，根据各功能信号的工作频段、信号带宽、接收灵敏度、动态范围等特征进行综合化设计，实现射频信道多功能通用化，优化系统硬件架构，减少系统重量和功耗。同时，综合化设计后射频信道可在系统动态配置下支持多功能重构，提高功能任务可靠性和系统战训能力[2]。本文以航管、塔康、精密测距3 个功能为例，对CNI 中L 波段接收机的射频前端综合化设计进行研究和讨论。

1 设计需求分析及架构选择

首先对功能需求进行分析，航管、塔康、精密测距功能工作频率及主要作用如下：

(1)航管功能接收频率为1 030 MHz，主要接收地面航管雷达的询问信号，并向地面发回飞机代号、飞行高度、特殊识别等应答信息，实现空中交通管制。

(2)塔康功能接收频率为962 MHz～1 213 MHz，测量飞机相对于塔康地面信标台的方位、距离，同时可以相互配套进行询问应答，完成相互间的距离测量。

(3)精密测距接收频率为同样为962 MHz～1 213 MHz，通过询问和接收DME/P 地面信标台的应答信号，经过精密处理，完成飞机到地面信标台距离的精密测量，保证驾驶员根据该精确距离和微波着陆设备提供的航向道、下滑道数据操纵飞机安全着陆。

根据功能需求，塔康和精密测距工作频段一致，并覆盖航管工作频点，接收射频信道可进行综合化设计[3-5]，表1 为各功能对接收信道的设计需求。

明确功能需求后，根据表1 综合考虑功能需求进行接收机架构选择。3 个功能虽然都工作于L 波段，但每个功能对接收信道均有特定要求，例如航管要求接收机为对数放大，塔康和精密测距功能为了保证测距精度，需要接收机具备线性放大能力，塔康功能空空测距模式下长机需要对近距离僚机(大信号)和远距离僚机(小信号)轮询测距，接收机需要具备AGC 控制能力，同时3个功能接收信号带宽不同。因此，接收信道需要设计较宽的工作频段及较高的动态范围，具备对数放大和线性放大两种模式，并保证良好的中频选择性。接收信道常用的拓扑结构有零中频结构、低中频结构和超外差结构3种，其中超外差式结构应用比较广泛，其最大优点是具有极佳的选择性，同时由于多次进行变频，不存在直流补偿和本振泄露问题，通过适当地选择中频和滤波器可以获得精确的选择性和灵敏度[6]。可见超外差接收机相对于零中频接收机具有更高的抗干扰能力和更好的选择性，因此本文接收信道选择超外差式架构。

表1 各功能接收信道设计需求

进一步分析，塔康及精密测距功能接收频率范围一致，并且覆盖航管功能接收频率，通过选择宽频段射频滤波器，接收信道前端宽开，3 个功能接收信道可以共用下变频电路，中频信号根据功能配置分别送入对数通道和线性通道进行放大和中频滤波，实现接收信道的多功能应用[7]。同时为了便于系统后端数字处理平台统一选择AD 芯片进行采样，对数通道和线性通道输出中频统一设计为70 MHz，接收信道原理框图如图1 所示。

2 电路设计

2.1 下变频电路设计

下变频电路主要通过两次混频，将射频信号搬移到模拟70 MHz 中频，同时完成低噪声放大、镜频抑制等功能。该部分电路主要包括射频带通滤波器、数控衰减器、低噪声放大器混频器、中频滤波器等器件[8]，原理框图如图2 所示。

下变频电路设计中首先需要选择中频频率和本振频率，为了避免混频器等非线性器件带来的虚假信号干扰，第一中频的选取应该使镜像干扰和中频干扰远离接收频段[9]，同时落入70 MHz 中频的组合频率干扰越少，本设计由接收射频信号与输出频率为1 640 MHz～1 904 MHz的一本振信号混频得到680 MHz 一中频信号，二本振采用750 MHz 点频，与一中频信号混频后得到模拟70 MHz信号。工程设计中MIX1 可选用器件LT5522EUF，MIX2可选用器件ADE-12。

实际工程应用中接收信道带内会收到空间多个回波信号，例如塔康功能空空测距模式下长机需要支持对近距离(大信号)和远距离(小信号)僚机分别完成测距的能力，而近距离信号强回波信号会使接收信道过载饱和，因此在下变频电路中设计数控衰减器，接收到大信号时系统控制衰减器衰减值，保证大信号到达LNA 输入端时电平不会使LNA 及后端器件饱和，大幅度扩展系统接收动态范围。但同时需要注意，因为STC 衰减器放置在接收信道前端，会提高整个接收信道的噪声系数，从而降低接收灵敏度，影响信号输出信噪比。因此，工程设计中数控衰减器必须选用插损器件，在实现动态范围扩展的同时尽量避免对接收灵敏度的影响[10-11]。

2.2 中频电路设计

中频电路主要由对数放大、线性放大、数控衰减和中频滤波器等电路组成。中频电路原理框图如图3 所示。中频放大电路设计中需要注意，应该先进行对数或线性放大，再进行中频滤波[12]。如果先进行中频滤波，再进行放大，放大器会对滤波后的中频信号中干扰信号也进行放大，导致脉冲波形会发生畸变，造成中频信号有拖尾等现象，影响后级灵敏度及功能解算，对于塔康和精密测距等有精度要求的功能，测距精度将无法保证。

根据对数放大电路性能需求和现有器件能力，对数放大电路中放置一个对数放大器即可满足信道使用要求，可选用对数放大器AD8309，其输入动态范围为-78 dBm～+22 dBm，可以满足对数放大60 dB 的要求，同时AD8309线性误差只有±0.4 dB，对数线性度能够满足要求。

线性放大电路中通过两级数控衰减器来实现中频电路所要求60 dB 增益控制范围[13]，数控衰减器步进都为2 dB，控制精度为±0.4 dB。实际设计中两级AGC 衰减器放置在不同的结构腔体中，保证大信号下能衰减到足够深度和精度。同时，为了获得较好对数精度和动态范围，线性放大电路中放大器选用SBF-5089，该器件P-1=21 dB，可保证最末级放大器输出饱和前，接收通道前面所有器件均未达到压缩状态[14]。

中频带宽选择性通过设计相应带宽的中频滤波器来达到系统要求，对数通道由于中频信号带宽较宽采用LC 滤波器，在满足通道中频选择性的前提下，减少滤波器时延；线性通道中频信号带宽较窄，采用声表滤波器。根据功能设计需求，中频滤波器指标设计见表2。

表2 中频滤波器关键设计指标

3 关键技术指标分析

3.1 各级器件指标分配

根据上述设计情况，各级器件的噪声系数、P-1、增益及输出、输出电平见表3 及表4。

表3 对数通道指标分配

表4 线性通道指标分配

可以看出，对数通道放置的对数放大器的动态范围为60 dB，满足航管功能接收通道60 dB 动态范围要求；线性通道的90 dB 动态范围可以通过前级射频电路的30 dB 数控衰减器和中频放大电路的两级数控衰减器实现。整个接收信道在小信号下系统各级器件未饱和，大信号下可通过前端灵敏度控制和AGC 调整链路电平[15]，使接收信道工作在对数或线性放大范围内，输出信号幅度满足设计要求。

3.2 噪声系数

接收机射频前端由多级电路级联组成，系统噪声系数计算公式如下：

式中，NFi为第i 级器件的噪声系数，Gi-1为第i-1 级器件的增益。根据设计情况可计算出对数和线性通道噪声系数分别为5.50 dB 和5.51 dB，两个通道噪声系数数值基本相等，主要原因是接收机的噪声系数主要取决于前端元器件的噪声系数。因此为了降低系统噪声，接收前端采用高增益低噪声放大器。

3.3 镜频抑制

由频率规划可知，接收通路有两个镜频频率：(1)一镜频为(射频+2×高中频)2 320 MHz～2 584 MHz；(2)二镜频为(高中频+2×低中频)820 MHz。

镜频抑制主要通过两级滤波器实现，其中射频滤波器BPF1 的主要作用是抑制一镜频信号，同时限制接收信号带宽，抑制进入接收信道的带外干扰：≥40 dBc@1 530 MHz，≥40 dBc@620 MHz。BPF2滤波器主要抑制820 MHz 镜频、本振泄露，混频交调，以及带外抑制：≥45 dBc@750 MHz，≥45 dBc@610 MHz，≥75 dBc@820 MHz。因此，射频信号镜频抑制≥85 dB，二镜频820 MHz 抑制≥75 dB，满足指标要求。

3.4 指标符合性

根据设计情况对照表1 各功能接收信道设计需求，综合化设计射频前端指标符合性表，见表5。

表5 各功能接收信道设计需求

4 结论

本文讨论了通信导航识别系统中L 波段射频接收信道的综合化设计，综合化设计后射频接收信道具备对数和线性两种工作模式，可支持同频段多功能动态配置使用，各项指标符合功能使用需求。