多波段射頻上變頻器設(shè)計(jì)

2013-05-24 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

1 引言

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)是保證輸出信號質(zhì)量的重要前提。
當(dāng)前市場上有多款針對特定應(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)也針對相應(yīng)頻點(diǎn)或頻段,并且缺少針對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)置本振信號頻點(diǎn),精確的控制輸出功率。實(shí)際測試表明本振信號穩(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。

多波段射頻上變頻器設(shè)計(jì)cfd學(xué)習(xí)資料圖片1
圖1 上變頻器總體框圖

    上變頻器的輸入信號為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,信號濾波后使用AGC電路去除器件噪聲和輸入信號不穩(wěn)的影響,結(jié)合多級數(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產(chǎn)生。寫頻控制信號和衰減控制信號由上級電路給出,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)兩路中頻信號分別為i(t)、q(t),正交的載波分別為si、sq,輸出信號為S,則有:

     多波段射頻上變頻器設(shè)計(jì)cfd學(xué)習(xí)資料圖片2

其中,i(t)=cosωCt ,q(t)=sinωCt ,si=cosωLt ,sq=sinωLt

由此可見當(dāng)兩路信號正交時(shí),載波和一個(gè)邊帶被完全抑制,這就減少了對射頻濾波器的要求。如果兩路信號不正交,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:

     多波段射頻上變頻器設(shè)計(jì)cfd應(yīng)用技術(shù)圖片圖片3

    此時(shí),輸出信號不能完全抑制載波和一個(gè)邊帶,且會(huì)對需要的邊帶產(chǎn)生影響。為了減少IQ正交性對輸出信號性能的影響,上變頻器的IQ兩信道要對稱,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。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保持確定關(guān)系,并且使輸入信號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:

多波段射頻上變頻器設(shè)計(jì)cfd應(yīng)用技術(shù)圖片圖片4

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)對不同頻點(diǎn)信號具有通用性,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,對輸出的本振信號頻率穩(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幅度變化很大的情況下使輸出信號幅度在較小范圍內(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。

多波段射頻上變頻器設(shè)計(jì)cfd應(yīng)用技術(shù)圖片圖片5
圖3 AGC原理框圖

多波段射頻上變頻器設(shè)計(jì)cfd應(yīng)用技術(shù)圖片圖片6
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)制器輸出信號的功率。

3.4 阻抗匹配和屏蔽

為了保證信號傳輸效率,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,減少前后級射頻輻射的相互影響,尤其對于多級衰減電路,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)

控制信號接口的微控制器的軟件主要功能是接收和解析上級電路的寫頻控制信號和功率控制控制信號,使用I2C總線傳輸,協(xié)議簡單且兩條傳輸線占用空間少,軟件流程如圖5所示。

多波段射頻上變頻器設(shè)計(jì)cfd應(yīng)用技術(shù)圖片圖片7
圖5 軟件流程圖

4 電路實(shí)現(xiàn)和測試結(jié)果

    4.1 電路實(shí)現(xiàn)

    (1)IQ調(diào)制電路實(shí)現(xiàn)

IQ調(diào)制芯片使用ADI公司的AD8346,其工作頻率為0.8GHz~2.5GHz,邊帶抑制可達(dá)-36dBc(本振1.9GHz時(shí)的標(biāo)稱值,背景噪聲僅為-147dBm/Hz,調(diào)制帶寬為DC~70MHz,在輸入信號正交性較好的情況下,實(shí)際電路能夠把載波和一個(gè)邊帶抑制40-50dBm,可以滿足電路性能要求。

    (2)PLL電路實(shí)現(xiàn)

PLL電路選用ADI公司的小數(shù)分頻頻率合成器ADF4153,頻率范圍500MHz~4GHz,包含低噪聲數(shù)字鑒相器,精密的電荷泵以及可編程的參考分頻器(三線串行接口,可以使用微控制器通過CLK、DATA和LE三條線進(jìn)行寫頻,并且支持SPI總線方式)。

以參考頻率10.23MHz,分辨率10kHz,產(chǎn)生1222MHz本振為例,ADF4153頻率設(shè)置如下:

    MOD=10.23MHz/10kHz=1023
    INT=1222MHz/10.23MHz=119(取整數(shù)部分)
    FRAC=(1222/10.23-119)*MOD=463

    然后根據(jù)MOD INT FRAC設(shè)置芯片N和R寄存器的相應(yīng)位。壓控振蕩器選用ZCOMM公司的V585ME15,頻率范圍是1100MHz~1400MHz,典型的1Hz帶寬情況下10kHz偏移量處的相位噪聲為~100dB/Hz。

    (3)AGC電路實(shí)現(xiàn)

AGC電路中可控增益放大器選用ADL5330,ADL5330是一款能提供1MHz~3GHz寬頻帶,具有以dB為單位呈線性增益控制范圍的單片VGA。它集成了寬帶放大器和衰減器,所以比分立器件實(shí)現(xiàn)方案極大地節(jié)省印制電路板面積、減少元器件數(shù)量并且降低成本。ADL5330具有60dB動(dòng)態(tài)增益和衰減范圍(約+20dB增益和-40dB衰減),22dBm輸出功率水平(1dB壓縮點(diǎn))以及在1GHz頻率和8dB噪聲系數(shù)(NF)下具有+31dBm輸出三階截點(diǎn)(OIP3)。

    ADL5330可以和ADI公司的I/Q調(diào)制器(選用的是AD8346)和功率檢測器(選用的是AD8361)較好的配合使用,構(gòu)成完整的信號通道。

電平檢測選用ADI公司的AD8361,該芯片典型應(yīng)用就是發(fā)射功率控制,頻率響應(yīng)范圍是0.1~2.5GHz,輸入范圍最高可達(dá)30dB,線性和頻率穩(wěn)定度較好(14dB范圍內(nèi)的誤差為±0.25dB,23dB范圍內(nèi)的誤差為±1dB)。

通過調(diào)節(jié)環(huán)路的直流增益(檢波器后面的運(yùn)放)可以調(diào)節(jié)AGC輸出,穩(wěn)定后輸入變化環(huán)路自動(dòng)調(diào)節(jié)VGA的放大倍數(shù)從而保持輸出不變,實(shí)際電路經(jīng)調(diào)試可以保證在輸入變化50dBm的范圍內(nèi)變化輸出基本保持穩(wěn)定。

    (4)控制信號接口電路實(shí)現(xiàn)

控制信號接口模塊的微控制器選用Atmel公司的ATmg16單片機(jī),硬件支持I2C總線,程序設(shè)計(jì)更為方便。

    4.2 測試結(jié)果

本文實(shí)現(xiàn)了可以進(jìn)行精確實(shí)時(shí)功率控制和本振頻率控制的上變頻器,實(shí)際電路設(shè)計(jì)中各個(gè)部分采用分腔的結(jié)構(gòu),通過對各個(gè)分腔模塊的調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)對不同波段和功率要求應(yīng)用的快速調(diào)整和重新設(shè)計(jì)。

圖6~7為一個(gè)具體上變頻器的實(shí)際測試結(jié)果。中頻輸入信號為46.52MHz,上變頻至1268.52MHz , 功率控制范圍為-130dBm~-50dBm, 步進(jìn)量為0.25dBm,頻點(diǎn)可以在1100MHz~1400MHz范圍內(nèi)以10kHz的分辨率任意設(shè)置。測試結(jié)果表明電路產(chǎn)生的本振信號穩(wěn)定,IQ調(diào)制器輸出對載波和下邊帶抑制達(dá)到30-40dB,上變頻后的信號質(zhì)量較好。

多波段射頻上變頻器設(shè)計(jì)cfd應(yīng)用技術(shù)圖片圖片8
圖6 本振信號

多波段射頻上變頻器設(shè)計(jì)cfd應(yīng)用技術(shù)圖片圖片9
圖7 上變頻后載波和下邊帶的抑制情況

5 結(jié)束語

本文分析了發(fā)射機(jī)射頻上變頻器各個(gè)組成部分,提出了多波段兼容上變頻器的設(shè)計(jì)方案,并且具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)L波段上變頻電路,給出了實(shí)際測試結(jié)果。實(shí)際測試結(jié)果表明電路性能良好,為通用射頻模塊設(shè)計(jì)提供一種解決方案。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):射頻電路設(shè)計(jì)和調(diào)試往往比較困難。本文設(shè)計(jì)了一種適用于多個(gè)頻點(diǎn)的通用上變頻器,可以對本振信號頻點(diǎn)和輸出功率進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,電路結(jié)構(gòu)清晰,實(shí)際電路性能良好,提供了一種通用射頻上變頻器的設(shè)計(jì)方案。電路不變,通過調(diào)整少量元件便可以迅速設(shè)計(jì)出所需頻率范圍的上變頻器電路。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才