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一种小型直接变频宽带射频接收系统

阅读：715发布：2020-05-15

专利汇可以提供一种小型直接变频宽带射频接收系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种小型直接变频宽带射频接收系统，通过采用谐波混频技术、直流负反馈技术——带非线性区MOS管自校准功能的密勒集成运放组件、基于二级微分反馈环节的前馈式增益与相位校正网络技术，有效解决直接变频结构固有的直流偏移、二阶互调失真以及I/Q通道失配问题，从而将直接变频结构成功应用于宽带射频接收系统，实现其小型化、标准化和高可重用度。具有广阔的应用前景。，下面是一种小型直接变频宽带射频接收系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种小型直接变频宽带射频接收系统，其特征在于，包括：
第一带通滤波器(101)，其输入端与射频输入相连；
低噪声放大器(102)，其输入端与所述第一带通滤波器(101)的输出相连接；
耦合电容(103)，其输入端与所述的第一放大器(102)的输出端连接；
第一正交混频器(104)，其输入端与所述的耦合电容(103)的输出端连接；
第一直流负反馈放大器(105)，其输入端与所述的第一正交混频器(104)的输出连接；
第二带通滤波器(106)，其输入端与所述的第一直流负反馈放大器(105)的输出连接；
第二直流负反馈放大器(107)，其输入端与所述的第二带通滤波器(106)的输出连接；
第一数模转换器(108)，其输入端与所述的第二直流负反馈放大器(107)的输出连接；
数字信号处理系统(117)，其I通道输入端与所述的第一数模转换器(108)的输出端连接；
频率合成器(109)，产生本振信号；
倍频器(110)，其输入端与所述的频率合成器(109)的输出端连接；
第二正交混频器(111)，其输入端与所述的耦合电容(103)的输出端连接；
第三直流负反馈放大器(113)，其输入端与所述的第二正交混频器(111)的输出连接；
第三带通滤波器(114)，其输入端与所述的第三直流负反馈放大器(113)的输出连接；
第四直流负反馈放大器(115)，其输入端与所述的第三带通滤波器(114)的输出连接；
第二数模转换器(116)，其输入端与所述的第四直流负反馈放大器(115)的输出连接；
数字信号处理系统(117)，其Q通道输入端与所述的第二数模转换器(116)的输出端连接；
开关(112)，其输入端与所述的倍频器(110)的输出端连接；所述开关(112)的输出端连接至所述的第一正交混频器(104)的输入端及所述的第二正交混频器(111)的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种小型直接变频宽带射频接收系统(100)，其特征在于，所述的数字信号处理器(117)，其I通道输出端与所述的第一直流负反馈放大器(105)的输入连接，同时与所述的第二直流负反馈放大器(107)的输入连接；数字信号处理器(117)，其Q通道输出端与所述的第三直流负反馈放大器(113)的输入连接，同时与所述的第四直流负反馈放大器(115)的输入连接。
3.根据权利要求1所述的一种小型直接变频宽带射频接收系统(100)，其特征在于，所述的第一正交混频器(104)，包括：
第一电容(201)，其输入端与所述耦合电容(103)的输出端连接；
第一势垒肖特基二极管(202)，其正极与所述的第一电容(201)的输出端连接，其负极与所述所述的第二带通滤波器(106)的输入端连接；
第二电容(203)，其输入端与所述的耦合电容(103)的输出端连接；
第二势垒肖特基二极管(204)，其负极与所述的第二电容(203)的输出端连接，其正极与所述的第二带通滤波器(106)的输入端连接；
正交移相器(205)，其输入端与所述的数字信号处理系统(117)的I通道输出端、所述的第一电容(201)的输出端及所述的第一势垒肖特基二极管(202)的正极连接；
正交移相器(205)，其输出端与所述的第二电容(203)的输出端及所述的第二势垒肖特基二极管(204)的负极连接。
4.根据权利要求1所述的一种小型直接变频宽带射频接收系统(100)，其特征在于，所述的第二正交混频器(111)，包括：
第一电容(301)，其输入端与所述的耦合电容(103)的输出端连接；
第一势垒肖特基二极管(302)，其正极与所述的第一电容(301)的输出端连接，其负极与所述的第三带通滤波器(114)的输入端连接；
第二电容(303)，其输入端与所述的耦合电容(103)的输出端连接；
第二势垒肖特基二极管(304)，其负极与所的述第二电容(303)的输出端连接，其正极与所述的第三带通滤波器(114)的输入端连接；
正交移相器(305)，其输入端与所述的数字信号处理系统(117)的Q通道输出端、所述的第一电容(301)的输出端及所述的第一势垒肖特基二极管(302)的正极连接；
正交移相器(305)，其输出端与所述的第二电容(303)的输出端及所述的第二势垒肖特基二极管(304)的负极连接。
5.根据权利要求1所述的一种小型直接变频宽带射频接收系统(100)，其特征在于，所述的第一直流负反馈放大器(105)包括：
密勒运算放大器(401)，其正极输入连接所述的第一正交混频器(104)的输出端；
MOS管(404)，其P极与所述的第一密勒运算放大器(401)负极输入连接；
偏置电阻(402)，其输入端与所述的第一密勒运算放大器(401)的输出端连接，其输出端与地连接；
密勒运算放大器(403)，其正极输入连接所述的MOS管(404)的N极并与地连接，其负极输入连接所述的偏置电阻(402)的输出，其输出连接至所述的MOS管(404)的栅极输入端。
6.根据权利要求1所述的一种小型直接变频宽带射频接收系统(100)，其特征在于，所述的第二直流负反馈放大器(107)包括：
密勒运算放大器(501)，其正极输入连接所述的第二带通滤波器(106)的输出端；MOS管(504)，其P极与密勒运算放大器(501)负极输入连接；
偏置电阻(502)，其输入端与密勒运算放大器(501)的输出端连接，其输出端与地连接；
密勒运算放大器(502)，其正极输入连接所述的MOS管(504)的N极并与地连接，其负极输入连接所述的偏置电阻(502)的输出，其输出连接至所述的MOS管(504)的栅极输入端。
7.根据权利要求1所述的一种小型直接变频宽带射频接收系统(100)，其特征在于，所述的第三直流负反馈放大器(113)包括：
密勒运算放大器(601)，其正极输入连接所述的第二正交混频器(111)的输出端；
MOS管(604)，其P极与所述的密勒运算放大器(601)负极输入连接；
偏置电阻(602)，其输入端与所述的密勒运算放大器(601)的输出端连接，其输出端与地连接；
密勒运算放大器(602)，其正极输入连接所述的MOS管(604)的N极并与地连接，其负极输入连接所述的偏置电阻(602)的输出，其输出连接至所述的MOS管(604)的栅极输入端。
8.根据权利要求1所述的一种小型直接变频宽带射频接收系统(100)，其特征在于，所述的第四直流负反馈放大器(115)包括：
密勒运算放大器(701)，其正极输入连接所述的第三带通滤波器(114)的输出端；
MOS管(704)，其P极与所述的密勒运算放大器(701)负极输入连接；
偏置电阻(702)，其输入端与所述的密勒运算放大器(701)的输出端连接，其输出端与地连接；
密勒运算放大器(702)，其正极输入连接所述的MOS管(704)的N极并与地连接，其负极输入连接所述的偏置电阻(702)的输出，其输出连接至所述的MOS管(704)的栅极输入端。

说明书全文

一种小型直接变频宽带射频接收系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种变频宽带射频接收系统。

背景技术

[0002] 传统的宽带射频接收系统采用超外差式接收机的拓扑结构设计，可以提供足够高的接收灵敏度和频率选择性，但超外差式接收机固有的镜频抑制与邻道选择相互制约的问题，只能以二次或二次以上的变频方式，通过增加尺寸较大的镜像抑制滤波器和IF平滑滤波器来解决，这无疑使得接收机电路的复杂度、尺寸、元器件数量、功耗都很高。直接变频接收机采用与射频信号完全相同的本振频率，直接把射频信号变换到基带，不存在镜频抑制问题，其整个电路可在单块印制板上以组件或MMIC芯片的形式实现，故尺寸、复杂度等电路设计指标都显著降低，并且以直接变频方式实现的宽带射频接收前端，由于增加了系统集成度，其电路的可重用程度得到大幅提高，因此具有广阔的应用前景。

[0003] 但采用上述结构的宽带射频接收系统需解决直流偏移、互调失真和I、Q通道失配等直接变频方式固有的技术缺陷有益效果。

发明内容

[0004] 射频接收系统的混频通常都采用I、Q双通道正交混频方式，而宽带混频的一般方法是采用多个频段并行工作的混频器以覆盖较宽的频带，若要在单个混频器上实现宽带直接混频，通行的方法是采用谐波混频，即用一个低频的本振信号的高次谐波信号与高频输入信号进行混频，从而完成频谱向下搬移。但谐波直接混频方式会不可避免地存在直流偏移问题，为解决上述技术问题，本发明提供了一种小型直接变频宽带射频接收系统，包括：

[0005] 第一带通滤波器，其输入端与射频输入相连，获取接收信号；低噪声放大器，其输入端与所述第一带通滤波器的输出相连接；耦合电容，其输入端与所述的第一放大器的输出端连接；第一正交混频器，其输入端与所述的耦合电容的输出端连接；第一直流负反馈放大器，其输入端与所述的第一正交混频器的输出连接；第二带通滤波器，其输入端与所述的第一直流负反馈放大器的输出连接；第二直流负反馈放大器，其输入端与所述的第二带通滤波器的输出连接；第一数模转换器，其输入端与所述的第一直流负反馈放大器的输出连接；数字信号处理系统，其I通道输入端与所述的第一数模转换器的输出端连接；频率合成器，产生本振信号；倍频器，其输入端与所述的频率合成器的输出端连接；第二正交混频器，其输入端与所述的耦合电容的输出端连接；第三直流负反馈放大器，其输入端与所述的第二正交混频器的输出连接；第三带通滤波器，其输入端与所述的第三直流负反馈放大器的输出连接；第四直流负反馈放大器，其输入端与所述的第三带通滤波器的输出连接；第二数模转换器，其输入端与所述的第四直流负反馈放大器的输出连接；数字信号处理系统，其Q通道输入端与所述的第二数模转换器的输出端连接；开关，其输入端与所述的倍频器的输出端连接；其输出端连接至所述的第一正交混频器的输入端及第二正交混频器的输入端。

[0006] 进一步地，所述的数字信号处理器，其I通道输出端与第一直流负反馈放大器的输入连接，同时与第二直流负反馈放大器的输入连接；数字信号处理器，其Q通道输出端与第三直流负反馈放大器的输入连接，同时与第四直流负反馈放大器的输入连接。

[0007] 进一步地，所述的正交混频器，包括：第一电容其输入端与所述耦合电容的输出端连接；第一势垒肖特基二极管，其正极与所述第一电容的输出端连接，其负极与所述第二带通滤波器的输入端连接；第二电容其输入端与所述耦合电容的输出端连接；第二势垒肖特基二极管，其负极与所述第二电容的输出端连接，其正极与所述第二带通滤波器的输入端连接；正交移相器，其输入端与数字信号处理系统的I通道输出端、第一电容的输出端及第一势垒肖特基二极管的正极连接；正交移相器，其输出端与第二电容的输出端及第二势垒肖特基二极管的负极连接。

[0008] 如上所述的，直流负反馈放大器包括：密勒运算放大器，其正极输入连接所述正交混频器的输出端；MOS管其P极与第一密勒运算放大器负极输入连接；偏置电阻其输入端与密勒运算放大器的输出端连接，其输出端与地连接；密勒运算放大器，其正极输入连接所述的MOS管的N极并与地连接，其负极输入连接所述偏置电阻的输出，其输出连接至MOS管的栅极输入端。

[0009] 有益效果

[0010] 上述发明技术提供了一种小型化的直接变频宽带射频接收系统的实现方法，在芯片级完成正交混频器、多频段切换开关、帯通滤波器、低噪声放大器、直流负反馈放大器等关键部件的全部功能，以减小LO(本地振荡器)泄漏带来的直流偏移效应，具有结构紧凑、性能优良的特点。附图说明

[0011] 图1；为一种小型直接变频宽带射频接收系统电路结构框图

[0012] 图2；为本发明四元短基线干涉天线阵结构框图

[0013] 图3；为本发明偶极子天线结构框图

[0014] 图4；为本发明正交混频器内部结构框图

[0015] 图5；为本发明直流负反馈放大器电路结构框图

[0016] 图6；为本发明直流负反馈放大器中的密勒运算放大器结构框图

[0017] 图7；为本发明数字信号处理系统的I/Q通道增益控制与校正网络电路结构框图具体实施方式

[0018] 传输信号由天线单元通过射频接收信道单元传输至本发明的小型直接变频宽带射频接收系统。

[0019] 其中天线单元为四元短基线干涉天线阵，天线阵阵元由4个分开固定距离的偶极子天线组成，如图2所示。其中，图中左边第一个天线为基准天线，依次排列为第一天线、第二天线及第三天线。其排列固定距离为，第一天线离基准天线300mm，第二天线距离基准天线660mmm，第三天线距离基准天线1200mm。每个天线结构如图3所示。

[0020] 本发明的一种小型直接变频宽带射频接收系统，如图1所示，包括：

[0021] 第一带通滤波器101，其输入端与射频输入相连，获取接收信号；低噪声放大器(102)，其输入端与所述第一带通滤波器(101)的输出相连接；耦合电容(103)，其输入端与所述的第一放大器(102)的输出端连接；第一正交混频器(104)，其输入端与所述的耦合电容(103)的输出端连接；第一直流负反馈放大器(105)，其输入端与所述的第一正交混频器(104)的输出连接；第二带通滤波器(106)，其输入端与所述的第一直流负反馈放大器(105)的输出连接；第二直流负反馈放大器(107)，其输入端与所述的第二带通滤波器(106)的输出连接；第一数模转换器(108)，其输入端与所述的第二直流负反馈放大器(107)的输出连接；数字信号处理系统(117)，其I通道输入端与所述的第一数模转换器(108)的输出端连接；频率合成器(109)，产生本振信号；倍频器(110)，其输入端与所述的频率合成器(109)的输出端连接；

[0022] 第二正交混频器(111)，其输入端与所述的耦合电容(103)的输出端连接；第三直流负反馈放大器(113)，其输入端与所述的第二正交混频器(111)的输出连接；第三带通滤波器(114)，其输入端与所述的第三直流负反馈放大器(113)的输出连接；第四直流负反馈放大器(115)，其输入端与所述的第三带通滤波器(114)的输出连接；第二数模转换器(116)，其输入端与所述的第四直流负反馈放大器(115)的输出连接；数字信号处理系统(117)，其Q通道输入端与所述的第二数模转换器(116)的输出端连接；开关(112)，其输入端与所述的倍频器(110)的输出端连接；其输出端连接至所述的第一正交混频器(104)的输入端及第二正交混频器(111)的输入端。

[0023] 进一步的，所述的数字信号处理器(117)，其I通道输出端与第一直流负反馈放大器(105)的输入连接，同时与第二直流负反馈放大器(107)的输入连接；数字信号处理器(117)，其Q通道输出端与第三直流负反馈放大器(113)的输入连接，同时与第四直流负反馈放大器(115)的输入连接。

[0024] 其中多频段切换开关(112)采用德国SYMON公司的IPN00587-SPIN 电子切换开关，单次切换时间≤10us，驻波比≤1.2。多频段帯通滤波器(101)、(106)(114)采用成都天奥公司的TDF2490-BRCAC微带型射频滤波器，插入损耗≤0.6dB，阻带衰减≥60dB。

[0025] 多频段低噪声放大器(102)采用单片MMIC芯片，芯片型号为美国美信公司的MAX2675，噪声系数仅为1dB，全频段增益≥20dB。ADC芯片选用ADI公司的双通道AD9625，该器件采样率为2.5GSPS，量化位数18bit。数字信号处理芯片DSP(117)选用的是TI公司的TMS320C6414TBZLZA8，外挂64Mb的SDRAM，主要用来实现命令解析以及I、Q通道失配的控制与校正功能。

[0026] 正交混频器(109)、(118)主要用于解决直接变频结构固有的自混频带来的直流偏移问题。射频信号一分为二，通过各自的隔直电容分别耦合到两个肖特基二极管的输入端，而(本振信号直接频率合成器+倍频器的输出)，作为两个肖特基二极管的偏压量接入二极管各自输入端。由此，形成的两个二极管的输出端即为混频后的两路直接变频基带信号。电路上采用荷兰AEROFLEX公司的MSPD2018 相位检波型谐波混频器组件，内部电路结构框图如图4所示。其核心混频器件——势垒肖特基二极管功耗非常低，为微瓦量级，因此中频泄漏以及散热都很小，便于整个印制板电路的小型化。

[0027] 所述的第一正交混频器(104)，包括：第一电容(201)，其输入端与所述耦合电容(103)的输出端连接；第一势垒肖特基二极管(202)，其正极与所述第一电容(201)的输出端连接，其负极与所述第二带通滤波器(106)的输入端连接；第二电容(203)，其输入端与所述耦合电容(103)的输出端连接；第二势垒肖特基二极管(204)，其负极与所述第二电容(203)的输出端连接，其正极与所述第二带通滤波器(106)的输入端连接；正交移相器(205)，其输入端与数字信号处理系统(117)的I通道输出端、第一电容(201)的输出端及第一势垒肖特基二极管(202)的正极连接；正交移相器(205)，其输出端与第二电容(203)的输出端及第二势垒肖特基二极管(204)的负极连接。

[0028] 所述的第二正交混频器(111)，包括：第一电容(301)，其输入端与所述耦合电容(103)的输出端连接；第一势垒肖特基二极管(302)，其正极与所述第一电容(301)的输出端连接，其负极与所述第三带通滤波器(114)的输入端连接；第二电容(303)，其输入端与所述耦合电容(103)的输出端连接；第二势垒肖特基二极管(304)，其负极与所述第二电容(303)的输出端连接，其正极与所述第三带通滤波器(114)的输入端连接；正交移相器(305)，其输入端与数字信号处理系统(117)的Q通道输出端、第一电容(301)的输出端及第一势垒肖特基二极管(302)的正极连接；正交移相器(305)，其输出端与第二电容(303)的输出端及第二势垒肖特基二极管(304)的负极连接。

[0029] 直流负反馈放大器(105)(107)(113)(115)包括密勒集成运放组件(一对)，其内部电路结构图如图5所示，芯片型号为台湾运盛公司的MT5990-RCX2014，直流负反馈放大器的主要作用是有效提高二阶输入截点IIP2，从而克服直接变频结构带来的二阶互调失真。

[0030] 为了进一步提高二阶输入截点电平，直流负反馈电路中采用带非线性区MOS管自校准功能的密勒集成运放组件，其中通过合理地预置两对四组MOS管的偏置电压，形成工作于非线性区的极低的漏源电流，而该漏源电流又与漏源电压(很高的对地偏置电压)成线性关系，因此等效出的电路内阻将呈现出高阻值。一对密勒集成运算放大器，受MOS管漏源电压的牵制，产生密勒效应——节点电容扩大为耦合电容的G倍，电路对外呈现出高容抗值。放大器的这种高阻、容值会对二阶互调失真(低频偏移量)呈现巨大的抑制作用，将混频器输出端低通滤波，检测出该低频偏移量后，作为漏源电压的负反馈信号，就可实现对该低频偏移量动态的闭环控制，即二阶互调失真的自校准功能，此自校准负反馈环路可有效抑制二阶互调失真引起的低频偏移。

[0031] 所述的第一直流负反馈放大器(105)包括：密勒运算放大器(401)，其正极输入连接所述第一正交混频器(104)的输出端；MOS管(404)，其P极与第一密勒运算放大器(401)负极输入连接；偏置电阻(402)，其输入端与第一密勒运算放大器(401)的输出端连接，其输出端与地连接；密勒运算放大器(403)，其正极输入连接所述的MOS管(404)的N极并与地连接，其负极输入连接所述偏置电阻(402)的输出，其输出连接至MOS管(404)的栅极输入端。

[0032] 所述的第二直流负反馈放大器(107)包括：密勒运算放大器(501)，其正极输入连接所述第二带通滤波器(106)的输出端；MOS管(504)，其P极与密勒运算放大器(501)负极输入连接；偏置电阻(502)，其输入端与密勒运算放大器(501)的输出端连接，其输出端与地连接；密勒运算放大器(502)，其正极输入连接所述的MOS管(504)的N极并与地连接，其负极输入连接所述偏置电阻(502)的输出，其输出连接至MOS管(504)的栅极输入端。

[0033] 所述的第三直流负反馈放大器(113)包括：密勒运算放大器(601)，其正极输入连接所述第二正交混频器(111)的输出端；MOS管(604)，其P极与密勒运算放大器(601)负极输入连接；偏置电阻(602)，其输入端与密勒运算放大器(601)的输出端连接，其输出端与地连接；密勒运算放大器(602)，其正极输入连接所述的MOS管(604)的N极并与地连接，其负极输入连接所述偏置电阻(602)的输出，其输出连接至MOS管(604)的栅极输入端。

[0034] 所述的第四直流负反馈放大器(115)包括：密勒运算放大器(701)，其正极输入连接所述第三带通滤波器(114)的输出端；MOS管(704)，其P极与密勒运算放大器(701)负极输入连接；偏置电阻(702)，其输入端与密勒运算放大器(701)的输出端连接，其输出端与地连接；密勒运算放大器(702)，其正极输入连接所述的MOS管(704)的N极并与地连接，其负极输入连接所述偏置电阻(702)的输出，其输出连接至MOS管(704)的栅极输入端。

[0035] 直流负反馈放大器(105)(107)(113)(115)的密勒集成运放组件(一对)采用带非线性区MOS管自校准功能，其内部电路结构图如图6所示，芯片型号为台湾运盛公司的MT5990-RCX2014，直流负反馈放大器的主要作用是有效提高二阶输入截点IIP2，从而克服直接变频结构带来的二阶互调失真。

[0036] 为了消除I/Q通道间的幅度与相位失配，印制板上还专门设计了基于二阶微分反馈环节的前馈式增益控制与校正网络,电路内部结构图如图7所示。在数字信号处理器DSP中专门设计了I/Q通道控制与校正电路，通过对I/Q通道信号幅度与相位的比较，形成误差信号，再利用一个二级微分反馈环节，提取误差信号速度与加速度的变化量，作为调节两级基带放大器的前馈激励信号，可以快速地校正I/Q通道间的幅度与相位失配。

[0037] 除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

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一种小型直接变频宽带射频接收系统

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