1GHz 射频信号源研制
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。Abstract： This system realizes adjustment of frequency and power in 1GHz RF band. The signal generationgcircuit employs CPPLL to realize frequency synthesization, employs TRF3750 to realize prescaler, charge pumpand PFD, employs OPA365 to realize active loop filter and employs MSP430F149 as MCU. The amplifieremploys 2SC3358 RF transistor and uses the design concept of microtrip. The power adjustment circuit employsM/A-COM’s AT65-0263 to realize controllable attenuation .The spurious wave rejection circuit uses microtripfilter, the design of which is based on ADS simulation. This system realizes the function of RF signal source witha low performance-cost ratio.
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。表 1 1GHz 射频信号源技术指标
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848～1118MHz
50KHz
-57dBm～-5 dBm
1dB
-70 dBc/Hz,±100 KHz
>50 dBc
41～61 Ohm
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。
输出
信号发生放大
控 制功率调节滤波2.2 设计方案论证 2.2.1 信号发生电路
图 1 1GH 射频信号源系统原系
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[1]，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[1]。电荷泵锁相环具有低功耗、高速、低抖动和低成本等特点[1],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[1]框图如图 2 所示。TRF3750晶体振荡器
鉴频鉴相器UPDOWN
电荷泵
环路低通滤波器
压控振荡器输出分频器图 2 2 信号发生电路 -CPPLL 频率合成器组成框图1）TRF3750 构成鉴频鉴相器、电荷泵和内置分频器TRF3750 是 TI 公司的一款高性能 CPPLL 频率合成芯片[2]，具有超低的相位噪声，内含双模前置分频器、14 位 R 计数器、6 位 A 计数器和 13 位 B 计数器实现内部分频。内含鉴频鉴相器和充电泵。三线串行接口具有完备的可编程能力。另外，具有锁定显示功能和省电(POWER DOWN)功能。2）OPA365 构成环路低通滤波器滤环路低通滤波器的作用是滤除鉴频鉴相器输出电流中的无用组合频率分量及其它干扰分量,以保证环路所要求的性能,并提高环路的稳定性。环路低通滤波器有两种形式，即无源滤波器和有源滤波器。有源滤波器因为采用放大器而引入噪声，所以采用有源滤波器的 PLL 产生的相位噪声性能会比采用无源滤波器的 PLL 差。因此在设计中我们尽量选用无源滤波器。其中三阶无源滤波器是最常用的一种结构。电荷泵电流通过环路滤波器积分后的最大控制电压低于额定输出最大值 Vp。如果 VCO/VCXO 的控制电压在此范围之内，无源滤波器能够胜任。然而，为了获得较大的频率范围，当 VCO 的控制电压接近或超过 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，也在一定程度上降低了衰减，从而调整 VCO/VCXO 控制电压到较大的范围；另外本电路中的有源滤波器使用了负反馈，使得滤波器的低通特性比常用的无源三阶滤波器更加陡峭，这在一定程度上提高了锁相环锁定的稳定性，但同时也会降低了其捕捉能力，因为此次作品最终目标是信号源而不是通信产品中本地振荡器，所以相比锁定速度而言锁定稳定度更为重要。经参阅供应商提供的 VCO 技术资料，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大器，需要关心一下的如下指标：低失调电压（Low Offset Voltage） （通常小于 500uV）；低偏流（Low Bias Current） （通常小于 50pA）；低噪声；具备轨道到轨道输入特性。TI 公司的 OPA365 是一款性能优良的运算放大器，其主要技术指标[3]如下：低失调电压：最大 200uV；低偏流：最大 10 pA；低噪声密度：通常（typically）4.5nV/√Hz轨道到轨道输入，无交越；此外，它还有高摆率、高共模抑制比和低静态电流等特性 基于上述考虑，本系统选用 TI 公司的 OPA365，构建锁相环的有源低通滤波器。３）压控振荡器压控振荡器要求幅度较高，噪声较低，杂散较低，因为市场供应的满足本设计要求的 VCO 价格不高，另外从缩短开发周期的角度考虑，本系统选用 Sirenza 公司的 VCO190-1000T(Y)型 VCO 模块。
2.2.2 信号放大电路信号放大电路将 VCO 输出的射频信号放大到一定电平，再送到功率调节电路。信号放大电路原理[4]框图如图 3 所示。信号放大电路选用廉价通用的射频晶体管 2SC3358,输入输出采用微带线匹配电路，在这个频段较为合适。
输入2.2.３功率调节电路
匹配电路