[科普中国]-微波接收器

介绍

为了在一条充满噪声的空中信道中有效地传输信息，发射机需要将载有信息的信号调制到射频载波上。微波接收机的功能是解调经过调制的信号，同时，又要保证足够的信噪比。由于无线传输环境的特殊性，例如多径效应、路径损耗、时变性等，导致噪声和干扰无处不在，微波接收机的性能就显得尤为重要。信号带宽和频谱直接影响射频收发模块的结构和电路模块的设计，信号的损耗和衰落，使得信号幅度在大范围内起伏，从而要求发射机进行功率控制和接收机良好的线性度，由于接收信号非常微弱，还需要接收机有较高的灵敏度。下图 是一个常见的接收机系统电路原理框图。

微波接收机是一个系统，在进行系统设计时，各级电路的工作频率，增益、噪声系数、线性度、功耗都要系统的考虑。除此之外，还要考虑总体性能等，因此，在设计中必须协调各电路模块，确保性能指标达到所需的要求。

性能指标噪声特性噪声和干扰是任何电子系统的大敌。接收机中的噪声会掩盖微弱信号，限制接收机对微弱信号的检测能力，即限制接收机的极限灵敏度。接收机噪声来自两个方面：一是天线接收到的外部噪声；二是接收机自身产生的噪声。天线接收到的噪声包括天空噪声、大气噪声、地球噪声、银河噪声和人工噪声等；接收机自身产生的噪声包括放大器、滤波器、混频器、检波器等各级产生的噪声。接收机内部噪声限制了接收机检测的最小信号，信号必须大于噪声一定强度才能被检测到。要衡量一个接收机对有用信号接收性能的好坏，往往要知道加到传输信号上噪声的数量，通常以信号功率与噪声功率之比——信噪比 （Signal-to-noise ratio，SNR）来判定。对二端口网络的研究中，确切地知道通过网络的信号上的噪声量是相当重要的，表征这种特性的重要参数便是噪声系数，噪声系数是定量描述一个元件或系统所产生噪声程度的指数，系统的噪声系数受许多因素影响，如电路损耗、偏压、放大倍数等。噪声系数 NF 的定义是：NF= 输入端信噪功率比/输出端信噪功率比 = 。

上面的公式可以看出，在整个级联的网络系统中，整个系统的噪声系数主要取决于第一级网络的噪声系数和增益。要降低整个系统的噪声系数，就必须要求第一级拥有较小的噪声系数及较高的增益，这样当后面的噪声系数较大时，如果第一级的增益有保证，则后面的噪声系数将对整个系统将没有太大影响。

灵敏度灵敏度和噪声系数一样都是衡量接收机接收和检测微弱信号能力的指标。接收机灵敏度是用来描述一个接收机在多微弱的信号功率电平下能工作的一项技术指标，它定义为：在给定要求的输出信噪比的条件下，接收机能够检测到的最低输入信号电平。灵敏度是一个最小的信号电平，当接收到的信号达到这样的强度时，接收机就能正常工作，并且产生预期的输出。接收机灵敏度并非是基本量，是在给定噪声功率的前提下，衡量接收机检测信号的能力的参数，一般要依赖于一些其他的参数才能确定，如所接收信号的调制方式、中频带宽（或视频带宽）、信纳比（即检波所需的识别系数）以及接收机的噪声系数等。接收机灵敏度与这些参数之间的简单近似关系式为：S=-114dBm+NF=10 lgB+Ksn+Km

其中，S 为接收机灵敏度，dBm；NF 为接收机噪声系数，dB；B 为中频带宽，MHz；Ksn 为信号检波所需的信纳比，dB；Km 为调制特性的函数，与信号的调制类型有关，dB。

从上式可见，若要提高灵敏度，只能降低接收机噪声系数和减小中频带宽。值得注意的是在宽带接收机中，灵敏度通常都是频率的函数，即接收机在不同的频率下工作，灵敏度不是一个常数。一般宽带接收机都有最低灵敏度与最高灵敏度两个指标，这两个值不应该相差太多，频带内灵敏度起伏太大也是影响整机性能的一个因素之一。

动态范围接收机的动态范围是指接收机可检测的最小信号与在失真允许情况下能接收的最大信号之间的范围。动态范围的下限受限于接收机的噪声底数，但是也和整个系统的要求和状态有关，动态范围的上限受限于器件非线性指标和自动增益放大器的控制范围，当输入信号过大的时候，由于系统的非线性而产生了信号的失真，输入信噪比反而会下降。如果输入功率低于动态范围的下限，噪声将占主导地位；如果输入功率超过动态范围的上限，输出开始饱和。接收机动态范围是设计射频与微波电路的重要依据之一，一般情况下，动态范围可以定义为最小可检测信号 MDS 到 1dB 压缩点之间的功率范围，也就是接收机灵敏度和 1dB 压缩点之间的功率范围。

1dB 压 缩 点 是指当输出功率与线性时相比减小1dB，或转换损耗增加 1dB 的点，其对应的输入功率称为输入 1dB 压缩点，用 PD 表示，实际的输出响应功率为输出 1dB 压缩点，用 表示。因此我们可以得到：。其中，PD、 以及 G 均用 dB 表示。1dB 压缩点定量地描述网络在大信号输入时的失真特性，可用其来表示系统工作的线性范围的上限。

通频带接收机接收的己调波是一个频带信号，即已调波频谱的主要成份要占有一定的带宽。接收机要使这个频带信号无失真地通过，就要具有足够的工作频带宽度，这就是通频带。通频带过宽，信号的主要频谱成分当然都会无失真地通过，但也会使收信机收到较多的噪声；反之，通频带过窄，噪声自然会减小下来，但却造成了有用信号频谱成分的损失，所以，要合理地选择收信机的通频带和通带的幅频衰减特性等。

选择性对某个波道的收信机而言，要求它只接收本波道的信号，对邻近波道的干扰、镜象频率干扰及本波道的收、发干扰等要有足够大的抑制能力，这就是接收机的选择性。接收机的选择性是用增益-频率（G-f）特性表示的。要求在通频带内增益足够大，而且 G-f 特性平坦；通频带外的衰减越大越好，通带与阻带之间的过渡区越窄越好。接收机的选择性是靠收信混频之前的微波滤波器和混频后中频放大器的集中滤波器来保证的。

最大增益天线收到的微波信号经馈线和分路系统到达接收机。由于受衰落的影响，接收机的输入电平在随时变动。要维持后端解调器正常工作，接收机的主中放输出应达到所要求的电平，但是接收机的输入端信号是很微弱的，则此时接收机输出与输入的电平差就是接收机的最大增益。这个增益值要合理地分配到接收机中的低噪声放大器、前置中放和主中放等各级放大器完成。1