1GHz射频信号源研制

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摘要:
本系统实现 1GHz频段射频信号的频率和功率可调。信号发生电路采用电荷泵锁相频率合成技术，以 TRF3750 实现前置分频、电荷泵和鉴频鉴相等功能，以OPA365 实现有源环路滤波，以 MSP430F149作为微控制器；放大电路采用 2SC3358射频晶体管，配以微带电路设计理念；功率调节电路采用 M/A-COM公司的AT65-0263实现可控衰减；杂散抑制电路采用微带滤波器，其设计基于 ADS仿真。本系统以高性价比实现了射频信号源的功能。

1、 作品简介
信号源是指测量用信号发生器。它是为电子测量提供符合一定技术要求的电信号设备，是电子测量中最基本，最广泛的电子测量仪器之一.。信号源总的趋势是向着宽频率覆盖,高精度，多功能，自动化和智能化方向发展。然而，射频信号源的市场价格比较高，尤其到 VHF 以上频段，价格非常昂贵。即使条件好的高校，在射频微波电路的教学过程中，也不可能大量配置。开发一种频段较高、指标要求适合教学使用的信号源，供高校在相关课程的教学中使用，具有非常重要的现实意义。

本项目基于上述目的，开发一种性价比高的射频信号源，供高校射频微波教学实验使用。目前，移动通信频段在 800MHz 以上，如最常用的GSM移动通信，其上行频率范围在890~915MHz，下行频率范围在 935～960MHz，因此，从贴近实际应用考虑，本项目的频率范围覆盖这个频段。

本系统达到如下功能：
(1)射频信号输出:由用户设置输出信号功率和频率，通过射频接口供用户使用；(2)用户操作界面:通过键盘实现用户控制，通过数码管实现当前功率和频率的显示;本系统的技术指标如表1所示。




2、方案设计
2.1 系统分析与理论计算
参考频率使用 Fr=100MHz，经过 14位的R 计数器（其值设置为 2000)，使得分频后频率为Fr’=Fr/R=100MHz/2000=50KHz，另一方面，输入VCO信号Fv经过内部的B、A计数器分频后得到Fv’，Fv’=Fv/(B·P+A)然后Fr”和Fv’进入鉴频鉴相器PFD，使得Fr’=Fv，即 Fv=(B.P+A)50KHz。

根据设计任务的功能要求，本系统由信号发生电路、信号放大电路、功率调节电路、滤波电路和控制电路构成，其系统原理如图1所示。_




2.2设计方案论证
2.2.1信号发生电路
近年来，随着无线电通信技术的迅速发展，锁相环和频率合成技术在各个领域得到了广泛的应用。由于锁相环具有跟踪特性、窄带滤波特性和锁定状态无剩余频差存在"，因此在频率合成技术中采用锁相环路可以产生频率准确度很高的振荡信号源。

锁相环已从最初仅为线性模拟锁相环发展到目前以数字锁相环为主。电荷泵锁相环(CPPLL)以其锁定相差小和捕获范围大的优点成为当前数字锁相环的主流。电荷泵锁相环具有低功耗、高速、低抖动和低成本等特点",在无线电通信、频率综合器、时钟恢复电路中被广泛采用。因此，本系统的信号发生电路采用CPPLL频率合成技术。信号发生电路-CPPLL频率合成器的组成甲框图如图2所示。




1) TRF3750构成鉴频整相器、电荷泵和内置分频器TRF3750是T公司的一教高性能 CPPLL 频率合成苍片吗，具有超低的相位噬声，内含双模前置分领器、14位R计数器、6位A计数器和13位B计数器实观内部分频。内含鉴频鉴相器和充电泉。重线串行接口具有完备的可编程能力。另外，几有锁定是示功能和省电POWER DOWN)功能2)OPA365构成环略低通滤波器环路低通滤波春的作用是滤除整貔签相器输出电流中的无用组合频率分婚及其它干扰分最.以保证环路所要求的性能，开提高环路的稳定性。环路低通魂波器有两种形式，即无源滤波器和有源姥波器。

有源洗波器因为采用放人器而引入吸声，所以采用有蹲流波器的PLL产生的相位唤声性能会比采用无游滤波器的PLL差。因此在设计中我们尽最选用无迎滤被器。其中三阶无源滤波器是最需用的一种结构。电荷泵电流通过环路滤被器积分后的最人控制电床低于M定输出最人雀Vp。如果 VCO/CXo 的控特电压在此范围之内，无潭龙波器统够胜任。

然而，为了获得较大的频车范围，当vCO 的控制电服接近或超过Vp，这时需要用有源滤波器，其作用是，在对环路误差信号进行滤波的同时，也在一定科度上降低了衰减，从而调整 VCO/CXO控制电压幻较人的花围：另外本电路中的有深键被器使用了负反馈，使得滤波器的低通特性比常用的无源三阶滤波器更加陇端，这在一定醒度上捷高了锁相环锁定的稳定性，但同时也会降低了其捕捉能力，因为此次作品最终日标是信号源而不是通信产品中本地报病器，所以相比锁定迷度而言锁定稳定度更为重要。
经参阅供应商提供的VCO技术资科，并对样品测试后，要求VCO达到 848~1118MHz的可控频率范围，用有源滤波器是合适的。如何选择有源滤波器中运算的放人器，需要关心一下的如下指标:

    低调电氏Low Ofsct Molage)(通常小于500uV):
    低偏流 CLow Bias Curent)(通常小50pA)低喋声:
    具各轨道到轨道输入特性T公司的 OPA365是一款性能优良的运算放器，其主要技术指标以如下:
    低失调电压:最大 200uV:
    低偏流:最人 10pA:
    低噬声密度：通雷(typically  4.5nV/ HZ轨道到转道输入，无交越:
    此外，它还有高摆率、高共模抑制比和低静态电连等特性基于上迷考虑，本系统选用T1公司的 OPA365，构建领相环的有源低道滤波器。

3)压控报荡器
压控报荡器要求幅度较高，暖声较低，杂散较低，四为市场供应的满足本设计要录的VCO价格不高，另外从绍短开发局期的角度考虑，不系统选用Sirenza 公司的VCO190-100MTYT VCO极块。

2.2.2信号放大电路
信号放人电路将VCO输出的射频信号放人到一定电平，再送到功幸调节电路。信号放大电路原理(机图如图3所示.信号放大电路选用廉价通用的射频品体管2SC3358.输入输出采用微带线匹配电路，在这个须段较为合适。




2.2.3功率调节电路
功率调节电路受控于控制电路，用于调节输出功率，使输出功率根据用户的设置，达到一定的电平。功率调节电路可以用PIN管实现，但匹配是一个难题。因为市场供应的满足本设计要求的功率调节电路价格不高，从缩短开发周期的角度考虑，功率调节电路选用 MA/COM公司的 AT65-0263数字衰减器芯片。

2.2.4滤波电路设计方案
由于以下原因：一，系统含有微处理器晶振和锁相环参考频率晶振，二，放大电路有时处在大信号放大状态，等，输出会产生各种谐波。因此，有必要配置一个滤波电路用于抑制杂散。在 1GHz频段选用微带滤波器是合适的。

2.2.5控制电路
控制电路用于提供用户界面，以设置频率合成器的分频比的方式控制输出信号频率，以设置数字衰减器衰减值的方式控制输出信号功率。TI公司的MSP430F149是一款以超低功耗为显著特点的单片机，在业界广泛使用。此外，它具有如下特点5：低电压供电:1.8~3.3V;16位精简指令结构:125ns指令周期:12位内置AD:串行通信口(USART)，同/异步方式:在线编程:等。本系统采用MSP430F149实现控制。

3、系统实现
3.1硬件设计
3.1.1信号发生电路设计




如图4所示21，CE101~CE104、CE107、CE109、C101~C108、 C109、C110、C122、C123均为电源滤波电容; Fref为100MHz 的参考频率，C111为耦合电容，R107为电荷泵最大电流设置电阻(R107=2.7KOhm时，Icp,max=8.7mA; R107=4.7K Ohm时，Icp,max=5mA; R107=10K Ohm时，Icp,max=2.35mA);R101、R102、C112、C113、C114、OPA365、L101组成锁相环的环路低通滤波器; VCO为压控振荡器，C115为其耦合电容; R103~R105 为功率分配及匹配电路(此处使用微带功分器更好，考虑其尺寸较大，不易实现，所以这里选用电阻); R106、 C117 为环路滤波电路，以滤除环路中的低频成分，使锁相环工作稳定。



如图5所示，RIOI、R102、C112构成主要的滤波电路，Cl3形成负反馈，使得低通特性更加陡峭，Cll4、LI01为环路滤波器输出滤波，使滤波效果更好、锁相环更加稳定。图6为环路低通滤波器的 SPICE交流特性仿真结果，可以看出环路低通特性比较陡峭，锁相环稳定性得到提高。



3.1.2输出滤波电路设计
1)原理图仿真
微波带通滤波器的种类很多，如端耦合传输线带通滤波器、梳状线带通滤波器、发夹式带通滤波器、交指型带通滤波器和半波长谐振器平行耦合带通滤波器等。本文所设计的滤波器是发夹型带通滤波器。发夹型带通滤波器的一般结构形式如图7所示，它是由发夹型谐振器并排排列耦合而成，其信号的输入输出方式可采用抽头式和平行耦合方式。当滤波器的带宽大于10%时，宜采用抽头式发夹型滤波器，否则有可能造成第一级耦合微带线间距太小，使制造工艺难于实现。发夹型滤波器具有结构紧凑、耦合线终端开路无需通过过孔接地的优点。该滤波器是平行线滤波器的一种变形结构，是把耦合谐振器折合成“u”字形构成的，降低了滤波器的尺寸，因而本系统采用该种结构。输出滤波器原理图如图7所示。_






如图8所示的是射频设计EDA软件ADS的原理图仿真结果，在848~ 1300MHz (本设计使用的是848~1118MHz频段)范围内，S(2,1)均小于-3dB,S(1,1)均小于-16dB，并且对848~1118MHz的二次和三次谐波的抑制达到较好效果。

2)版图设计
输出滤波器微带电路版图如图9所示。此微带滤波器的总体尺寸小，各部分比例合适，避免了计算正确却工艺不能实现功能的现象。






输出滤波器微带电路版图矩量仿真结果-S参数由图10所示。比较图8和10可知，原理仿真和矩量仿真的结果存在一定的差异，这是由矩量仿真模型并非理想所造成的，但与原理仿真结果大致相同，进一步证明了设计的正确性。

3.2软件设计
3.2.1软件流程
控制系统软件设计方案如图11和图12所示。



3.2.1电磁兼容和功耗相关的软件设计要点
1)为了减少功耗，并降低数字系统对模拟信号的千扰，控制数据设置完成后，应将微控制器设为低功耗模式。
2)键盘输入采用中断模式，而不是查询模式，这样键盘输入完成后，数据端口处于静态，这样可以大大降低数字系统对模拟信号的干扰。

4.作品性能测试与分析
4.1系统测试方法
1)将电源调至 7~8V，接通电源，此时电流约为20mA:
2)将信号源右侧的SMA 接头接到频谱仪上:
3)此时数码管上显示初始频率值，为990MHz，按FP切换至输出功率，初始值为-5dBm:
4)显示频率时，改变闪烁位可以改变输出频率的值，按FP切换至显示功率，改变闪烁位可以改变输出功率，按左移(L)或右移(R)可以改变闪烁位:
5)当输出信号频率和功率显示都正确时，观察频谱仪上相应的频率和功率，并判断是否与设置一致。




4.2 作品测试性能数据
测试结果如表2所示。



4.3测试结果分析
频率范围通过单片机设置可以达到848~1118MHz:TRF3750的参考频率为100MHz，R分频器的分频比通过软件可以设置为2000，所以频率精度可以达到 50KHz 的要求:功率通过频谱仪的测量也可以判断准确度： MA/COM 公司的AT65-0263数字衰减器芯片的功率精度为1dB，通过使用 AT65-0263芯片，可以使功率精度为1dB:测量相位噪声时由于测试条件有限，频谱仪精度不够，所以测得在±100 KHz时相位噪声为-60 dBc/Hz，考虑仪器的缺陷，预测如果使用精度较高的频谱仪测量，估计相位噪声测量值可以达到-80 dBc/Hz 以上：杂散主要由 2SC3358构成的末级放大器造成，因为在放大器的输入功率已经比较大，最佳的方法是使用功率合成（从电路简化考虑，本设计未使用)，否则，大的输入信号使得放大器工作在非线性状态，故合成的频率再与参考频率组合，产生许多频率分量:输出阻抗可以通过测量末级带通滤波器的反射系数来计算，根据反射系数公式rL=(ZL-Z0)/(Zi+Zo)，使用标量网络分析仪测量。ΓL在通带范围内测得为10dB，而特性阻抗Zo为 50 Ohm，所以计算得到Z为41~61 Ohm。

5、总结与展望
本系统使用TI公司提供的芯片TRF3750和OPA365，再与VCO形成锁相环频率合成器;使用TI公司提供的MSP4390F149单片机控制锁相环的输出频率，控制输出衰减器来控制输出功率，整个电路没有为达到某- 目而刻意增加冗余设计，使得电路简捷，其功能发挥充分。

此外，本设计具有如下特点:

(1)在设计过程中，部分电路先采用原理仿真，部分电路还进行了电磁仿真，使得设计更加可靠;
(2)末级的微带带通滤波器涉及微波的知识，超出了高校专科生一般电子专业学科的知识范围，就此频段电路设计水平而言，在省内高校本专科学生中处于较领先的地位;
(3)经过核算，作品的成本不超过400元人民币。因此，虽然本系统指标与射频信号源高端产品差距较大，但性价比毫不逊色。射频信号源的市场价格比较高，尤其到VHF以上频段价格非常昂贵，即使条件好的高校，在射频微波电路的教学过程中，也不可能大量配置。在此情况下在开发这种频段较高的信号源，供高校在相关课程的教学使用，对提高无线电技术类专业学生的培养质量，具有非常重要的现实意义。


附录(1)整机外观图





附录(2)系统PCB版图

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