引 言

　　變頻器的英文譯名是VFD（Variable-frequency Drive），這可能是現(xiàn)代科技由中文反向譯為英文的為數(shù)不多實(shí)例之一。（但VFD也可解釋為Vacuum fluorescent display，真空熒光管，故這種譯法并不常用）。變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力傳動(dòng)元件。變頻器在中、韓等亞洲地區(qū)受日本廠商影響而曾被稱作VVVF。

　　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)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)，的控制輸出功率。實(shí)際測試表明本振信號(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。

　　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)

　　鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，簡稱鎖相環(huán)（PLL,Phase-Locked Loop）。鎖相環(huán)的特點(diǎn)是：利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位。因鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過程中，當(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來。

　　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)

　　自動(dòng)發(fā)電量控制AGC（Automatic Generation Control）是能量管理系統(tǒng)EMS中的一項(xiàng)重要功能，它控制著調(diào)頻機(jī)組的出力，以滿足不斷變化的用戶電力需求，并使系統(tǒng)處于經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)?？刂齐妷盒纬呻娐返幕静考?AGC 檢波器和低通平滑濾波器，有時(shí)也包含門電路和直流放大器等部件。放大電路的輸出信號(hào)u0 經(jīng)檢波并經(jīng)濾波器濾除低頻調(diào)制分量和噪聲后，產(chǎn)生用以控制增益受控放大器的電壓uc 。當(dāng)輸入信號(hào)ui增大時(shí)，u0和uc亦隨之增大。

　　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

　　信號(hào)傳輸過程中負(fù)載阻抗和信源內(nèi)阻抗之間的特定配合關(guān)系。一件器材的輸出阻抗和所連接的負(fù)載阻抗之間所應(yīng)滿足的某種關(guān)系，以免接上負(fù)載后對(duì)器材本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。對(duì)電子設(shè)備互連來說，例如信號(hào)源連放大器，前級(jí)連后級(jí)，只要后的輸入阻抗大于前的輸出阻抗5-10倍以上，就可認(rèn)為阻抗匹配良好；對(duì)于放大器連接音箱來說，電子管機(jī)應(yīng)選用與其輸出端標(biāo)稱阻抗相等或接近的音箱，而晶體管放大器則無此限制，可以接任何阻抗的音箱。

　　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

　　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是由ANALOG DEVICES公司生產(chǎn)的正交調(diào)制器，其調(diào)制信號(hào)的3dB帶寬為70MHz，載波的頻率范圍為0.8GHz ～2.5GHz，其可調(diào)制的基帶信號(hào)帶寬為直流到70 MHz。單端2.7～5.5 V供電，靜態(tài)工作狀態(tài)下電流值為45 mA，休眠狀態(tài)下電流僅為lμA。該器件具有較高，在1.9 GHz時(shí)，正交均方誤差僅為l°，I／Q幅度平衡僅為0.2dB。其的相位和幅度平衡特性使其可直接將信號(hào)調(diào)制到射頻。它可實(shí)現(xiàn) QPSK/GMSK、QAM、AM、SSB、BPSK 等多種調(diào)制，在GSM、CDMA、PCS、DCS 等數(shù)字通信系統(tǒng)中有較為廣泛的應(yīng)用前景。

　?。?）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是一款寬帶電壓可變增益放大器，額定工作頻率范圍為10 MHz至3 GHz。該器件可以在60 dB范圍內(nèi)提供精密線性dB增益控制，衰減約為-40 dB，增益約為+20 dB。在60 dB范圍內(nèi)設(shè)置增益或衰減時(shí)，需要0至1.4 V的增益控制輸入電壓。ADL5330可提供高線性度輸出功率，因而是無線基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)射信號(hào)路徑的理想解決方案。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(hào)通道。

　　電平檢測選用ADI公司的AD8361，AD8361是一款TruPwr?檢波RFIC，首次以集成形式提供均方根（RMS）響應(yīng)功率檢波功能，它能夠?qū)⒁粋€(gè)2.5 GHz的復(fù)合調(diào)制RF信號(hào)轉(zhuǎn)換為代表該信號(hào)均方根電平的直流電壓。該器件具有高線性度和高溫度穩(wěn)定性，適用于CDMA、QAM和其它復(fù)合調(diào)制方案的檢波。

　　動(dòng)態(tài)范圍為30 dB。測量在14 dB范圍為0.25 dB，在23 dB范圍為1 dB。該器件提供8引腳小型SO封裝，采用2.7 V至5.5 V電源供電，功耗僅為4 mA。

　　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。

　?。?）控制信號(hào)接口電路實(shí)現(xiàn)

　　控制信號(hào)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(duì)各個(gè)分腔模塊的調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)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(hào)穩(wěn)定，IQ調(diào)制器輸出對(duì)載波和下邊帶抑制達(dá)到30-40dB，上變頻后的信號(hào)質(zhì)量較好。

　　圖6 本振信號(hào)

　　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(duì)本振信號(hào)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。