一款超外差微波功率無線收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

陳見輝

摘要：該文主要以NE602元件為核心，通過對穩(wěn)壓整流電路、混頻電路、放大電路、仿真分析等進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一款性能穩(wěn)定、成本低廉、市場發(fā)展前景較為廣闊的微波無線收發(fā)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 測試;電路;穩(wěn)壓;靈敏度

中圖分類號：TP338? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）23-0063-02

1引言

伴隨著無線科技的進(jìn)步，5G移動通信技術(shù)已進(jìn)入我們的生活，這無疑就對傳統(tǒng)的無線收發(fā)系統(tǒng)提出了更高的要求。如今，不同款式的短波收發(fā)系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用于4G、5G等通信領(lǐng)域，成了眾多電子愛好者學(xué)習(xí)和研究的熱點(diǎn);正是基于這種原因，通過對HF頻段收發(fā)信系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與研究，提出了一種超外差式微波無線收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案;該方案在設(shè)計(jì)初期，針對系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)做了實(shí)地定性測試，發(fā)射信道的發(fā)射頻率是7. 023MHz，窄帶的接收頻帶寬度是7. 023MHz，寬帶的接收頻帶寬度是0.03MHz1[1]，與理論計(jì)算基本吻合，符合預(yù)期要求。經(jīng)過單元電路的調(diào)試和系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)以及各節(jié)點(diǎn)信號的測試，最終證明了本方案的可行性，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，體積更加靈巧便攜，該設(shè)計(jì)模塊大都采用了集成電路，有效降低了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，節(jié)省了成本資源。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1電路系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

2.2設(shè)計(jì)思路及工作原理

為了達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期效果，滿足測試中各項(xiàng)參數(shù)要求，通過軟件控制來實(shí)現(xiàn)的微波段無線接收系統(tǒng)和模擬電路來實(shí)現(xiàn)的微波無線接收系統(tǒng)進(jìn)行比較，模擬電路在獲取測量數(shù)據(jù)信息上更加直觀，逼近實(shí)際值，而且在調(diào)試過程中方便、直接、快捷，既不受其他波段的干擾也不影響公共頻段的使用，經(jīng)過多次模擬實(shí)驗(yàn)對比，最終選擇了純模擬電路組合方案;該方案主要由穩(wěn)壓控制、整流電路[2]、混頻電路、放大電路、仿真優(yōu)化、鍵控裝置構(gòu)成[3];其中，該方案的核心模塊采用了一個(gè)具有低功耗帶輸入放大器的VHF雙平衡混頻器NE602A來實(shí)現(xiàn)信號的優(yōu)先選擇，該器件主要是將接收到的信號送入混頻器并與混頻器中的振蕩頻率進(jìn)行混頻后產(chǎn)生一個(gè)比較信號，而產(chǎn)生的這個(gè)比較信號即是CW音頻信號，然后將CW音頻信號送入LM386進(jìn)行功率放大，該放大信號的作用主要用于關(guān)閉接收器在發(fā)射時(shí)由2N7000場效應(yīng)管構(gòu)成的靜音電路管道中的音頻信號，在構(gòu)成音頻振蕩器中側(cè)音信號的同時(shí)，產(chǎn)生的反向波使其發(fā)出“嗒嗒”的聲音，捕捉到的這種聲音就是通過控制緩沖放大器來實(shí)現(xiàn)信息收發(fā)工作的[4]，最后再通過擴(kuò)增低通濾波器的高頻信號與接收信號進(jìn)行連接，最終完成整個(gè)信息的收發(fā)過程。

3單元電路工作原理

3.1穩(wěn)壓整流電路工作原理

該整流電路主要采用二極管進(jìn)行整流，為了保證電路供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在整流管IN4001兩端并聯(lián)了兩個(gè)電解電容CP4、CP7，有助于增強(qiáng)電路中的電流、進(jìn)一步緩和輸入信號對后級輸出波形帶來的影響，該電路在后級中設(shè)置C18有去耦合的作用，電路輸入直流電壓可達(dá)9～12V;穩(wěn)壓部分采用LM78L06進(jìn)行穩(wěn)壓，該管子的穩(wěn)壓性能良好，這樣就確保了輸出直流電壓為3～5V[5]，輸出電流可達(dá)到100mA，無須外接元件內(nèi)部有熱過載保護(hù)和短路電流限制。

3.2 DC變頻電路工作原理

空間電磁波信號將由ANT端（天線）傳入W1與晶體Y1作用后，經(jīng)C1進(jìn)行耦合至NE602的輸入端，由于該器件的輸入端INA與INB已同時(shí)加入了混頻后的波形，而另一端則混入了7. 023MHz標(biāo)準(zhǔn)振蕩頻率，從而實(shí)現(xiàn)了混頻的目的。

該混頻電路主要采用了一款具有低功耗、帶輸入放大器的VHF雙平衡混頻器NE602[6]，該混頻器能在45MHz工作狀態(tài)下提供18dB增益且振蕩工作頻率為200MHz的CMOS器件，它內(nèi)含雙平衡振蕩器（DBM）和穩(wěn)壓器[7]，其中，雙平衡混頻器的工作頻率可達(dá)500MHz[8]，因此，它最適合用于高頻（HF） 和甚高頻（VHF）接收機(jī)中。由于NE602采用雙平衡混頻器[6]并具有振蕩功能[9]，故用作接收機(jī)的前端電路[10]，不僅使用方便而且能很好地用以匹配輸入信號的信噪比和三階互調(diào)指標(biāo)，在沒有外部高頻放大的情況下，能更好地提高接收機(jī)的靈敏度[11]。

4放大選頻電路的工作原理

4.1放大電路工作原理

該放大電路由音頻放大電路和功率放大電路兩部分組成，由于本設(shè)計(jì)要求輸出的音頻信號并非人聲或音樂，僅僅是“滴答”聲[12]，所以選用一款低損耗的音頻放大器LM386較為合適，該放大器的輸入電壓范圍小，輸出電壓為電源電壓的一半，靜態(tài)時(shí)僅消耗4mA電流，消耗功率只有0.024瓦、失真小等優(yōu)點(diǎn)，能清晰地聽見按鍵跟隨節(jié)拍所產(chǎn)生“滴答滴答”的音頻信號，可根據(jù)室外環(huán)境因素調(diào)整改變LM386附屬電容參數(shù)，來獲得不同微波頻率下的波段，使增益達(dá)到理想值;同時(shí)，還可以設(shè)置一個(gè)3.5mm的標(biāo)準(zhǔn)立體聲耳機(jī)接口。

在功率放大電路中，為了提高音頻信號的放大效果，采用D882作為發(fā)送射頻信號的功率推動管[13]，該功率管具有高電流、高飽和電壓的特性，它不但可以為音頻信號提供放大作用，還能為射頻信號的發(fā)送提供足夠的功率放大，使發(fā)送信號能夠得到及時(shí)有效的傳輸。

4.2選頻電路工作原理

選頻電路主要是由并聯(lián)LC選頻網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)選頻的，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，該電路可以準(zhǔn)確地發(fā)送出7MHz左右的無線電波信號，根據(jù)選頻公式f0[=12πL（C1C2C1+C2）]來確定發(fā)射電路中元件的參數(shù)，其中1N4148的作用為限幅器件，目的是保證D882不受瞬間尖峰波的影響而損壞;左邊LED顯示電路是由三極管Q5和部分電阻組成的鍵控裝置，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，LED B將被點(diǎn)亮，用于提示用戶有操作動作，LED A則關(guān)閉;當(dāng)松開按鍵時(shí)，LED A亮，LED B滅，交替工作，確保電路工作狀態(tài)良好。

5仿真分析

由于射頻電路中需要用專用軟件進(jìn)行仿真，一些物理性傳輸信號則需要用Matlab等數(shù)學(xué)工具的計(jì)算和仿真，因此在設(shè)計(jì)中采用僅選取了Multisim軟件對音頻電路和選頻電路進(jìn)行仿真[14]，仿真結(jié)果如圖2、圖3所示，其他電路采用了測試、調(diào)試的方法來完成數(shù)據(jù)的采集。

6安裝與調(diào)試

首先進(jìn)行調(diào)試的是發(fā)射電路，將控制按鍵與調(diào)試儀器連接好并通電，通過控制按鍵的接通與斷開來觀察示波器的波形和頻率計(jì)的測試值，如果頻率計(jì)顯示達(dá)到7MHz，說明發(fā)射模塊調(diào)試成功;這里要提醒的是切不可在沒連接控制按鍵的狀態(tài)下對其進(jìn)行直接通電調(diào)試，因?yàn)镈882功率三極管工作在30W的大功率下，如果電路不經(jīng)控制按鍵直接接通，那么射頻電路模塊將會一直處于發(fā)射信號狀態(tài)，D882 則一直處在工作飽和區(qū)，一旦時(shí)間稍微久了該器件便會發(fā)燙，如果不立馬斷電或采取措施是很容易損壞D882功率管的。

其次，對混頻模塊進(jìn)行調(diào)試時(shí)，先用示波器測試各個(gè)晶體振蕩器各起振點(diǎn)是否有頻率輸出，然后再把示波接入到混頻電路中測試，待通電后，觀察NE602混頻器輸出波形是否正常，測試各點(diǎn)工作電壓是否正常，若在正常值范圍內(nèi)即可使用天線進(jìn)行實(shí)地觀測。

在進(jìn)行音頻信號測試時(shí)，可以使用信號發(fā)生器的正弦波進(jìn)行音頻放大測試，將信號發(fā)聲器的峰值VPP設(shè)置成毫安級，頻率則可設(shè)置成1kHz來測試音頻放大電路的音頻放大性能，如果有條件的話最好對輸入阻抗進(jìn)行測試，輸入阻抗越高，對前級信號的影響越小[15]。

由于我們所測的輸出信號是一個(gè)7MHz的固定頻率波，因此，在調(diào)試的時(shí)候需要使用雙通道示波器進(jìn)行波形測試，一方面通過觀察示波器A通道的輸出波形是否能夠滿足頻率與峰值的要求，另一方面將音頻輸出端接到示波器B通道上進(jìn)行音頻波形測試，并觀察音頻放大器輸出端蜂鳴器是否有“嗒嗒”的聲響，最后再接到功率放大電路的輸出端測試出完整的短波信號波形，計(jì)算出詳細(xì)數(shù)據(jù)。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】