UV 頻百瓦級可調(diào)大功率信號激勵源設(shè)計

徐 豪

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，成都 610036）

1 引言

在某類大功率UV 射頻組件、模塊的硬件調(diào)試、測試過程中，迫切需要一款操作簡單、能夠輸出不同功率等級的激勵源。目前，國內(nèi)市場無大功率信號激勵源。本文設(shè)計了一款工作在VU 頻段的百瓦級可調(diào)大功率信號激勵源，工作頻率為100MHz-400MHz，最小頻率間隔為25kHz，輸出信號電平為-2dBm±1dB～50dBm±1dB，連續(xù)可調(diào)，分-2dBm 小信號、0～30W、0～60W、0～117W 四個功率等級輸出。

2 方案設(shè)計

激勵源采用模塊化設(shè)計，由電源模塊、激勵模塊、功放模塊和顯控模塊組成，原理框圖，如圖1所示。

圖1 激勵源原理框圖

2.1 激勵模塊

激勵模塊由接口單元、頻綜單元、激勵單元構(gòu)成。接口單元產(chǎn)生70MHz 中頻信號，經(jīng)中頻放大、濾波后，與頻綜單元產(chǎn)生的定本振信號混頻，產(chǎn)生高、中頻信號，經(jīng)高、中頻放大和濾波后，與變本振信號混頻，產(chǎn)生100MHz-400MHz 射頻信號，經(jīng)濾波器選頻濾波后輸出。

2.1.1 接口單元

接口單元完成激勵模塊與顯控模塊之間的驅(qū)動電平轉(zhuǎn)換、通信協(xié)議處理，并實現(xiàn)對射頻模塊內(nèi)部電路的控制。接口單元的設(shè)計，主要解決驅(qū)動電平轉(zhuǎn)換、通信協(xié)議處理以及70MHz 中頻信號、100MHz 基準(zhǔn)信號的產(chǎn)生。

2.1.2 頻綜單元

頻綜單元產(chǎn)生兩路本振信號，主要包括高本振（變本振）、低本振（定本振）兩個部分，原理框圖如圖2所示。

接口單元產(chǎn)生的100MHz 基準(zhǔn)信號在輸入頻綜單元后，分為三路。一路作參考信號，進(jìn)PLL 鎖相環(huán)，產(chǎn)生低本振825MHz；一路進(jìn)DDS，產(chǎn)生6.5MHz-8.2MHz 信號；一路與DDS 輸出信號進(jìn)行混頻輸出，經(jīng)聲表濾波器濾波，產(chǎn)生106.5MHz-108.2MHz參考信號，給PLL 鎖相環(huán)當(dāng)參考，最終產(chǎn)生一路1003MHz-1295MHz 高變本振信號。

圖2 頻綜單元工作原理框圖

2.1.3 激勵單元

激勵單元對70MHz 中頻信號進(jìn)行變頻、放大和濾波處理，最后產(chǎn)生100MHz-400MHz 的射頻信號輸出，輸出信號幅度為-2 dBm±1dB，原理框圖如圖3所示。

圖3 激勵單元原理框圖

接口單元產(chǎn)生的70MHz 中頻信號經(jīng)中頻放大、濾波后，與低本振信號混頻，產(chǎn)生高中頻信號，經(jīng)高、中頻濾波和放大后，與高本振信號混頻，得到100MHz-400MHz 的射頻信號，輸出信號的大小可以通過調(diào)節(jié)ALC 電壓實現(xiàn)，然后經(jīng)濾波器選頻輸出。

（1）增益分配。激勵單元輸入的中頻信號幅度為-8dBm，輸出信號幅度為-2 dBm±1dB?？紤]到增益的溫度波動，按10 ～12dB 設(shè)計，增益分配見表1。

表1 發(fā)射鏈路增益分配

（2）發(fā)射雜散。主要包括組合雜散、頻綜鑒相雜散、電源頻率雜散及模塊內(nèi)部其它雜散。其中，頻綜的鑒相雜散可以通過專門的設(shè)計保證[1，2]，相位噪聲至少達(dá)到-130dBc/Hz，雜散至少可以達(dá)到-80 dBc；電源頻率雜散可由變換器和電源輸入、輸出濾波電路改善；模塊內(nèi)部雜散可以通過印制板設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和電磁兼容設(shè)計保證。

組合雜散頻點滿足關(guān)系[3]

式中，f0為輸出頻點；f1、f2為定本振與變本振頻率值；M、N 為正整數(shù)。

只考慮輸出頻率±10MHz 頻帶以內(nèi)的雜散（頻帶以外被調(diào)諧濾波器有效濾除），定本振825MHz 與變本振（1003-1295MHz）組合產(chǎn)生的雜散點，在108-400MHz 頻段內(nèi)，存在10個。上述雜散點，可以通過控制進(jìn)入二混頻器的高、中頻能量進(jìn)行控制。

（3）寬帶噪聲。主要由兩部分決定，一部分為本振信號的相位噪聲，另一部分為激勵鏈路熱噪聲。在本例中，輸出信號的寬帶噪聲主要受四個因素影響：一是本振信號的相噪，二是混頻后的信道噪聲系數(shù)，三是電調(diào)濾波器的帶外抑制，四是混頻后的增益分配方案。

在設(shè)計中，選用的二本振的相噪聲水平可以達(dá)到-155dBc/Hz，經(jīng)混頻后，相噪惡化3dB，采用中功率跳頻濾波器濾波，相噪改善6dB，因此本振的相噪對激勵輸出的貢獻(xiàn)為-158dBc/Hz。通過設(shè)計優(yōu)化，用AppCAD 仿真出激勵鏈路的熱噪聲為-155dBc/Hz。寬帶噪聲良好。

2.2 功放模塊

功放模塊采用低噪聲放大器[4]設(shè)計，包含前置放大、功率放大、功放控制和定向耦合器。

激勵模塊產(chǎn)生的-2dBm 射頻小信號經(jīng)過前置放大、功率單元2級放大后，可變成51dBm（117W）大功率信號，輸出功率大小可以通過調(diào)節(jié)功放模塊ALC 電壓來控制，送入定向耦合器，最后經(jīng)面板接插件輸出。前置放大是由兩只HEM383B-3L 和一只HE390B-1 放大器構(gòu)成的放大電路，功率單元是由D1016UK和D1009UK 放大器構(gòu)成的放大電路。各級放大電路的增益分配，見表2。

表2 各級放大電路增益分配表

2.3 電源模塊

電源模塊采用AC/DC 轉(zhuǎn)換，將220V 交流電轉(zhuǎn)為直流+28V/17A、+15V/3A、-15V/1A、+5V/10A 四路輸出。選取兵裝電源的SY-480-S28和SY-100-T5B，其中：前者輸出+28V/17A，效 率84%，紋 波240mV；后 者 輸 出+15V/3A、-15V/1A、+5V/10A，效率79%，紋波150mV。該類電源體積小，功率密度高，抑制干擾能力強(qiáng)，具有過流、過壓和短路保護(hù)功能。在電源輸出端，采用共模、差模濾波網(wǎng)絡(luò)對輸出電源進(jìn)行濾波，更加有效的抑制了電源紋波。

2.4 顯控模塊

通過鍵盤輸入對應(yīng)頻率單片機(jī)接受到鍵盤的指令以后，通過D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換輸對應(yīng)的電壓控制信號到激勵源模塊，激勵源模塊根據(jù)接收到的電壓信號輸出相應(yīng)頻率的信號。如果用戶需要小信號，該信號直接通過面板輸出，如果需要大信號則將該信號輸出給功率放大模塊，由功率放大模塊將信號放大后輸出。

液晶顯示的作用是顯示鍵盤設(shè)置的頻率值，鍵盤每更改一次頻率值，液晶顯示值就刷新一次。頻率值用數(shù)字顯示，以MHz為單位。

3 設(shè)計結(jié)果

該款激勵源擁有良好的人機(jī)交互界面，采用旋鈕、按鍵、平板電腦實現(xiàn)對激勵源信號大小、頻率的控制，實物展示如圖4所示。

圖4 激勵源實物圖

所設(shè)計的激勵源通過了專業(yè)計量機(jī)構(gòu)的校驗，實測結(jié)果見表3。

表3 激勵源指標(biāo)實測結(jié)果

所設(shè)計的激勵源達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，性能、指標(biāo)均能滿足使用需求，并在工程上得到廣泛的運用。

4 結(jié)束語

UV 頻百瓦級可調(diào)大功率信號激勵源的成功設(shè)計，解決了某類大功率UV 射頻組件、模塊在調(diào)試、測試過程中對激勵源的迫切需求，填補了當(dāng)前大功率激勵源的市場空白。目前，所設(shè)計、制作的UV 頻百瓦級可調(diào)大功率信號激勵源工作良好。