1GHz 射频信号源研制(三)

MSOBND_MDS
MSOBND_MDS
MLOCTL12
MSOBND_MDS
MSOBND_MDS
Bend1Subst="MSub1"Bend11Subst="MSub1"Bend13Bend14Bend12MLOCBend9
Subst="MSub1"W=w mmSubst="MSub1"W=w mm MLOCSubst="MSub1" W=w mmSubst="MSub1"MLOCMLOCSubst="MSub1"Subst="MSub1" Subst="MSub1" TL14W=w mmSubst="MSub1"Bend10Subst="MSub1"
W=w mmW=w mmL=l11 mmW=w mmTL26TL27W=w mmW=w mmSubst="MSub1" W=w mmMLINMLINTL4Subst="MSub1"W=w mmL=l3 mmL=l6 mm TL8Subst="MSub1"W=w mmL=l9 mmMCLINCLin1Subst="MSub1"
MCLINCLin10
MCLINCLin8411Subst="MSub1"Subst="MSub1"Subst="MSub1"W=w mm W=w mmL=l14 mm L=l14 mm
MCLINCLin8412MLINTL23Subst="MSub1"W=w mmL=l11 mmL=l9 mmMCLINCLin8410Subst="MSub1"W=w mmL=l6 mm
MCLINCLin363MLINTL16Subst="MSub1"W=w mmL=l3 mmW=w mm
MLINTL17Subst="MSub1"
TL3Subst="MSub1"W=w mmW=w mmS=s1 mmSubst="MSub1" W=w mmS=s3 mmW=w mmSubst="MSub1"W=w mmW=w mmS=s2 mmSubst="MSub1"W=w mmW=w mmL=l2 mmMLIN
L=l2 mmMLINMTEE_ADSTee1Subst="MSub1"W1=w mmW2=w mm MLOCW3=1.67 mmL=l4 mmMLINTL7Subst="MSub1"W=w mmL=l7 mmS=s2 mmL=l8 mmMLOCTL20L=l12 mm
MLOCMLINTL28Subst="MSub1"W=w mmL=l15 mmS=s3 mmL=l12 mmMLOCTL29MLOCTL21L=l8 mmMLINTL13Subst="MSub1"W=w mmL=l7 mmS=s1 mmL=l4 mmMTEE_ADSTee2Subst="MSub1"W1=w mmW2=w mmTL19Subst="MSub1"W=2.1 mmL=10 mmTerm
TL5Subst="MSub1" TL25MSOBND_MDS Subst="MSub1"MSOBND_MDS MSOBND_MDS MLOC
TL1Subst="MSub1"Subst="MSub1"MSOBND_MDSMSOBND_MDSW=w mmSubst="MSub1"MSOBND_MDSBend16W=w mmSubst="MSub1"W=w mm Bend7Bend8TL15W3=1.67 mmTerm2Num=2
W=2.1 mmL=10 mmMLOCTL2W=w mmL=l5 mmBend3Subst="MSub1"W=w mmBend4Subst="MSub1"W=w mmL=l10 mmW=w mmL=l13 mmBend15Subst="MSub1"W=w mmSubst="MSub1"W=w mmL=l13 mmL=l10 mmSubst="MSub1" Subst="MSub1" Subst="MSub1"W=w mm W=w mm W=w mmL=l5 mmMLOCZ=50 Ohm
TermTerm1Num=1Z=50 OhmSubst="MSub1"W=w mmL=l1 mm0-50-100
图 7    输出滤波器电路原理图器电TL18Subst="MSub1"W=w mmL=l1 mm
0.51.01.52.0freq, GHz2.53.03.5
图 8    输出滤波器原理仿真结果理如图 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。图 9 输出滤波器微带电路版图微带图 10  输出滤波器微带电路版图矩量仿真结果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。
开始时钟初始化端口初始化发送并显示初始频率开定时器
N频率设置完毕？低功耗模式 1
Y
显示“－”低功耗模式 4图 11    主程序流程图
3.2.1 电磁兼容和功耗相关的软件设计要点设开始发送初始化寄存器的值发送 R 寄存器的值发送 N 寄存器的值发送功能寄存器的值图 12    数据通信流程图
1）为了减少功耗，并降低数字系统对模拟信号的干扰，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试
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 F/P 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 F/P 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8一致。待测电路图 13      系统测试方法示意图
频谱分析仪4.2  作品测试性能数据测试结果如表 2 所示。
频率范围频率精度功率范围功率精度相位噪声杂散抑制输出阻抗
4.3  测试结果分析表 2            系统性能测试结果
848～1118MHz50KHz-57dBm～-5 dBm1dB-72 dBc/Hz, 100 KHz>53 dBc41～61 Ohm
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[6]ΓL=(ZL-Z0)/(ZL+  Z0),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 Z0 为 50 Ohm,所以计算得到 ZL 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一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。参考文献1. Floyd M.Gardner 著，姚剑清译.锁相环技术（第三版）.北京：人民邮电出版社，20072.TRF3750 Datasheet, Texas Instruments, 20043.OPA365 Datasheet, Texas Instruments, 20064.Guillermo Gonzalez  Gonzalez 著，白晓东译.微波晶体管放大器分析与设计. 北京：清华大学出版社，20035. MSP430F149 Datasheet, Texas Instruments, 20046.David M.Pozar 著，张肇仪等译.微波工程（第三版）.北京：电子工业出版社，2006

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