兼容多波段射頻上變頻器設(shè)計(jì)
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上變頻器是射頻發(fā)射機(jī)不可或缺的重要器件，其性能受電磁兼容等多方面的影響，因此上變頻器的設(shè)計(jì)是保證輸出信號(hào)質(zhì)量的重要前提。
當(dāng)前市場(chǎng)上有多款針對(duì)特定應(yīng)用的上變頻芯片，但是在使用上缺乏靈活性。主要的上變頻電路設(shè)計(jì)也針對(duì)相應(yīng)頻點(diǎn)或頻段，并且缺少針對(duì)精確的輸出功率控制和運(yùn)行時(shí)可變頻點(diǎn)的設(shè)計(jì)。本文結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)了一種以L波段為主的兼容多波段上變頻器，包括混頻、鎖相環(huán)（PLL）電路，自動(dòng)增益控制（AGC）電路、衰減和電磁屏蔽多方面內(nèi)容。
本文綜合考慮各個(gè)影響因素，設(shè)計(jì)的兼容多波段上變頻器可以靈活的設(shè)置本振信號(hào)頻點(diǎn)，精確的控制輸出功率。實(shí)際測(cè)試表明本振信號(hào)穩(wěn)定，頻率可以選用不同的器件實(shí)現(xiàn)在L波段的任意設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)－130dBm的低功率信號(hào)輸出，并且可以在－130dBm到－80dBm之間以0.25dB步進(jìn)實(shí)時(shí)調(diào)整。
2 上變頻器原理
上變頻器的組成原理框圖如圖1所示。
圖1 上變頻器總體框圖
上變頻器的輸入信號(hào)為I/Q兩路，與單路混頻上變頻相比可以更好地抑制載波和一個(gè)邊帶。為了使射頻輸出能夠進(jìn)行精確的功率控制，信號(hào)濾波后使用AGC電路去除器件噪聲和輸入信號(hào)不穩(wěn)的影響，結(jié)合多級(jí)數(shù)控衰減器和固定衰減器輸出組成的衰減網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到功率控制的目的。本振模塊采用可編程的PLL電路，使設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于L波段多個(gè)頻點(diǎn)上變頻器的本振信號(hào)產(chǎn)生。寫頻控制信號(hào)和衰減控制信號(hào)由上級(jí)電路給出，用于上變頻器控制相應(yīng)的模塊。
3 主要模塊的分析和設(shè)計(jì)
3.1 IQ調(diào)制電路分析和設(shè)計(jì)
假設(shè)兩路中頻信號(hào)分別為i（t）、q（t），正交的載波分別為si、sq，輸出信號(hào)為S，則有：
其中，i（t）＝cosωCt ，q（t）＝sinωCt ，si＝cosωLt ，sq＝sinωLt
由此可見當(dāng)兩路信號(hào)正交時(shí)，載波和一個(gè)邊帶被完全抑制，這就減少了對(duì)射頻濾波器的要求。如果兩路信號(hào)不正交，令i（t）＝Acos（ωCt＋φ）＋B ，其中A表示信道增益不平衡，φ表示相位不平衡，B表示直流偏差，則：
此時(shí)，輸出信號(hào)不能完全抑制載波和一個(gè)邊帶，且會(huì)對(duì)需要的邊帶產(chǎn)生影響。為了減少IQ正交性對(duì)輸出信號(hào)性能的影響，上變頻器的IQ兩信道要對(duì)稱，并且提供相同的直流驅(qū)動(dòng)來提高IQ調(diào)制電路的載波和邊帶抑制能力。
3.2 PLL電路設(shè)計(jì)
PLL電路產(chǎn)生本振信號(hào)。PLL是一種相位反饋控制系統(tǒng)，它能使壓控振蕩器的頻率和相位均與輸入信號(hào)保持確定關(guān)系，并且使輸入信號(hào)中存在的噪聲及壓控振蕩器自身的相位噪聲得到一定的抑制，PLL電路原理如圖2所示：
圖2 鎖相環(huán)電路原理框圖
設(shè)計(jì)中可以使用內(nèi)部集成鑒相器和分頻器的可編程頻率合成器，與外部環(huán)路濾波器和VCO構(gòu)成完整的PLL。由于產(chǎn)生的本振頻點(diǎn)的可編程性，使電路的設(shè)計(jì)對(duì)不同頻點(diǎn)信號(hào)具有通用性，可以適應(yīng)不同系統(tǒng)的要求。
在使用集成頻率合成器和VCO的PLL電路設(shè)計(jì)中環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，其作用是抑制鑒相器輸出電壓中的載頻分量和高頻噪聲，降低由VCO控制電壓的不純而引起的寄存器輸出，對(duì)輸出的本振信號(hào)頻率穩(wěn)定度有很大的影響。
3.3 AGC電路設(shè)計(jì)
AGC電路是一種在輸入信號(hào)幅度變化很大的情況下使輸出信號(hào)幅度在較小范圍內(nèi)變化的自動(dòng)控制電路。常用的反饋型AGC原理和線性模型如圖3～4所示。
圖3 AGC原理框圖
圖4 AGC控制環(huán)路模型
在上變頻器中，為了抑制器件溫漂、輸入變化以及其他干擾從而實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻輸出功率的精確控制，需要使用AGC電路穩(wěn)定調(diào)制器輸出信號(hào)的功率。
3.4 阻抗匹配和屏蔽
為了保證信號(hào)傳輸效率，PCB 板要充分考慮阻抗匹配的問題，主要包括各個(gè)模塊之間以及信號(hào)線的匹配。以三端連接時(shí)50Ω阻抗匹配為例，每端串聯(lián)16或18歐姆電阻，則每端看入的阻抗均為：（16/18＋50）/2＋16/18≈50（Ω）。
射頻電路的每個(gè)部分均封裝在金屬盒的分腔中，減少前后級(jí)射頻輻射的相互影響，尤其對(duì)于多級(jí)衰減電路，屏蔽的作用尤為重要。同時(shí)在PCB電路板布線時(shí)，要充分考慮射頻輻射的影響。
3.5 軟件設(shè)計(jì)
控制信號(hào)接口的微控制器的軟件主要功能是接收和解析上級(jí)電路的寫頻控制信號(hào)和功率控制控制信號(hào)，使用I2C總線傳輸，協(xié)議簡(jiǎn)單且兩條傳輸線占用空間少，軟件流程如圖5所示。
圖5 軟件流程圖
評(píng)論