混頻電路在GPS接收機(jī)射頻前端中的應(yīng)用

圖4中，濾波器1濾出1575.42MHz的射頻信號(hào)，送入混頻器與1540.00MHz的本振信號(hào)進(jìn)行下變頻，經(jīng)濾波器2濾掉雜散頻率，輸出 35.42MHz的中頻信號(hào)，再送入混頻器與31.11MHz的本振信號(hào)進(jìn)行第二次變頻，經(jīng)濾波器3輸出4.31MHz的中頻信號(hào)，然后送入后繼相關(guān)器進(jìn) 行調(diào)整和處理。

混頻電路中的濾波器2和濾波器3的設(shè)計(jì)關(guān)系著接收機(jī)的整體性能。在電路中，濾波器2為中心頻率35.42MHz的帶通濾 波器，帶寬2MHz左右，通帶內(nèi)頻率響應(yīng)要盡量一致，通帶波紋大約為0.8dB，通帶外對(duì)信號(hào)的抑制度要高，抑制鏡像頻率 26.80MHz=31.11MHz- 4.31MHz，插入損耗17dB 左右，根據(jù)這些參數(shù)，我們選用聲表面波(SAW-Surface Acoustic Wave)濾波器Dynex DW9255來實(shí)現(xiàn)上述要求。

濾波器3的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：中心頻率4.31MHz，通帶帶寬2MHz，通帶內(nèi)頻率響應(yīng)盡量一致，衰減陡峭特性要求不高，要能夠抑制帶外噪聲和來自A/D轉(zhuǎn)換模塊的干擾。

我們可采用2階最大平滑巴特沃斯濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)現(xiàn)巴特沃斯濾波器的歸一化方法，我們得到的電路中的元件參數(shù)的設(shè)計(jì)結(jié)果如圖5所示。圖5中，電感L1、L2和電容C1、C2組成濾波器網(wǎng)絡(luò)，端口1和端口2表示源端和負(fù)載端。

利 用射頻仿真軟件ADS(Advanced Design System)對(duì)上面的電路進(jìn)行仿真。圖5下面部分的圖標(biāo)為散射參量S仿真控件，仿真參量設(shè)置如圖5所示，掃描頻段從1MHz到10MHz，間隔為 0.1MHz，得到該濾波器的S參量S(2，1)隨頻率變化的曲線如圖6所示。散射參量S(2，1)表示濾波器網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性，也可以表示網(wǎng)絡(luò)的正向電壓 增益。從圖中可以看出，中心頻率為4.31MHz，在通頻帶3.31～5.31MHz內(nèi)，信號(hào)通過濾波器網(wǎng)絡(luò)后衰減很小，波紋較小，回波損耗在允許范圍 內(nèi)；在通帶外，網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)的衰減逐漸增大，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5　中心頻率為4.31MHz的濾波器設(shè)計(jì)

圖6　中心頻率為4.31MHz的濾波器頻率響應(yīng)

采 用有源場效應(yīng)管構(gòu)成雙平衡混頻結(jié)構(gòu)，如圖7 所示。圖7 中，M1、M2、M3、M4、M5和M6為6個(gè)場效應(yīng)管，端口4所連的場效應(yīng)管M2、M3接本地振蕩信號(hào)VLO，端口3所連的場效應(yīng)管M1、M4接本地振 蕩信號(hào)VLO的反相信號(hào)，端口5和端口6分別接射頻輸入信號(hào)VRF及其反相信號(hào)，中頻信號(hào)VIF及其反相信號(hào)分別由端口1和端口2引出。

圖7 　單級(jí)雙平衡FET混頻電路

兩級(jí)混頻器的電源電壓為3.3V，適當(dāng)調(diào)節(jié)電路中元件的參數(shù)，可以使得第一級(jí)混頻增益約為27dB，在1504.58MHz處射頻鏡像抑制為9dB，可以在 一級(jí)混頻前加一個(gè)鏡像抑制濾波器來提高射頻鏡像抑制度；第二級(jí)混頻器加上中頻放大器總增益不小于75dB，滿足系統(tǒng)要求。

GPS接收機(jī) 射頻前端電路采用低本振下變頻設(shè)計(jì)，既有利于后繼相關(guān)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整和處理，同時(shí)也大大降低了系統(tǒng)對(duì)濾波器等元器件的技術(shù)指標(biāo)的要求。事實(shí)上，對(duì)于全球 定位系統(tǒng)來說，射頻信道的中心頻率為1575.42MHz，帶寬為2MHz。下變頻之前，如果要濾出該信號(hào)，我們必須使用品質(zhì)因數(shù)Q=fRF/BW= 787.71的濾波器。但在下變頻為4.31MHz的中頻信號(hào)(帶寬沒變)之后，利用上面的公式，可知濾波器的品質(zhì)因數(shù)只需要為2.15。

結(jié)　語

在GPS下變頻電路中，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩級(jí)雙平衡混頻電路，同時(shí)，在第一級(jí)混頻的輸出端，選擇SAW帶通濾波器Dynex DW9255取出中頻信號(hào)，在第二級(jí)混頻的輸出端，設(shè)計(jì)了巴特沃斯帶通濾波器取出中頻信號(hào)。以GPS的下變頻電路作參考，以后可嘗試將該設(shè)計(jì)應(yīng)用到L 波段、C波段其它無線電信號(hào)接收機(jī)的射頻前端電路的設(shè)計(jì)中去。