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)，通過改變電機工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動機的電力傳動元件。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)計也針對相應(yīng)頻點或頻段，并且缺少針對的輸出功率控制和運行時可變頻點的設(shè)計。本文結(jié)合工程實際應(yīng)用設(shè)計了一種以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。

　　本文綜合考慮各個影響因素，設(shè)計的兼容多波段上變頻器可以靈活的設(shè)置本振信號頻點，的控制輸出功率。實際測試表明本振信號穩(wěn)定，頻率可以選用不同的器件實現(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步進實時調(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邊帶。為了使射頻輸出能夠進行的功率控制，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)計可以應(yīng)用于L波段多個頻點上變頻器的本振信號產(chǎn)生。

　　3 主要模塊的分析和設(shè)計

　　3.1 IQ調(diào)制電路分析和設(shè)計

　　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：

　　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，載波和一個邊帶被完全抑制，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：

　　此時，輸出信號不能完全抑制載波和一個邊帶，且會對需要的邊帶產(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

　　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)的特點是：利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相位。因鎖相環(huán)可以實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，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)輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，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。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：

　　圖2 鎖相環(huán)電路原理框圖

　　設(shè)計中可以使用內(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)生的本振頻點的可編程性，使電路的設(shè)計對不同頻點信號具有通用性，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)計中環(huán)路濾波器的設(shè)計是關(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

　　自動發(fā)電量控制AGC（Automatic Generation Control）是能量管理系統(tǒng)EMS中的一項重要功能，它控制著調(diào)頻機組的出力，以滿足不斷變化的用戶電力需求，并使系統(tǒng)處于經(jīng)濟的運行狀態(tài)?？刂齐妷盒纬呻娐返幕静考?AGC 檢波器和低通平滑濾波器，有時也包含門電路和直流放大器等部件。放大電路的輸出信號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ui增大時，u0和uc亦隨之增大。

　　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現(xiàn)對射頻輸出功率的控制，需要使用AGC電路穩(wěn)定調(diào)制器輸出信號的功率。

　　3.4 阻抗匹配和屏蔽

　　信號傳輸過程中負載阻抗和信源內(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載阻抗之間所應(yīng)滿足的某種關(guān)系，以免接上負載后對器材本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。對電子設(shè)備互連來說，例如信號源連放大器，前級連后級，只要后的輸入阻抗大于前的輸出阻抗5-10倍以上，就可認為阻抗匹配良好；對于放大器連接音箱來說，電子管機應(yīng)選用與其輸出端標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。

　　為了保證信號傳輸效率，PCB 板要充分考慮阻抗匹配的問題，主要包括各個模塊之間以及信號線的匹配。以三端連接時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。同時在PCB電路板布線時，要充分考慮射頻輻射的影響。

　　3.5 軟件設(shè)計

　　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。

　　圖5 軟件流程圖

　　4 電路實現(xiàn)和測試結(jié)果

　　4.1 電路實現(xiàn)

　?。?）IQ調(diào)制電路實現(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，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調(diào)制到射頻。它可實現(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，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）以及在1GHz頻率和8dB噪聲系數(shù)（NF）下具有＋31dBm輸出三階截點（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，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€2.5 GHz的復(fù)合調(diào)制RF信號轉(zhuǎn)換為代表該信號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（檢波器后面的運放）可以調(diào)節(jié)AGC輸出，穩(wěn)定后輸入變化環(huán)路自動調(diào)節(jié)VGA的放大倍數(shù)從而保持輸出不變，實際電路經(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，硬件支持I2C總線，程序設(shè)計更為方便。

　　4.2 測試結(jié)果

　　本文實現(xiàn)了可以進行實時功率控制和本振頻率控制的上變頻器，實際電路設(shè)計中各個部分采用分腔的結(jié)構(gòu)，通過對各個分腔模塊的調(diào)整可以實現(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。

　　圖6～7為一個具體上變頻器的實際測試結(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， 步進量為0.25dBm，頻點可以在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到30-40dB，上變頻后的信號質(zhì)量較好。

　　圖6 本振信號

　　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)射機射頻上變頻器各個組成部分，提出了多波段兼容上變頻器的設(shè)計方案，并且具體設(shè)計和實現(xiàn)了一個L波段上變頻電路，給出了實際測試結(jié)果。實際測試結(jié)果表明電路性能良好，為通用射頻模塊設(shè)計提供一種解決方案。

　　本文作者創(chuàng)新點：射頻電路設(shè)計和調(diào)試往往比較困難。本文設(shè)計了一種適用于多個頻點的通用上變頻器，可以對本振信號頻點和輸出功率進行實時控制，電路結(jié)構(gòu)清晰，實際電路性能良好，提供了一種通用射頻上變頻器的設(shè)計方案。