便攜式半導體結點探測器發射機的設計與實現

范 蓓

（公安部第一研究所,北京,100048）

0 引言

半導體結點探測器是基于非線性結點的諧波再輻射特性，通過發射基波信號，接收來自目標再輻射的二次、三次諧波信號，并對目標進行探測識別的便攜式半導體結點探測器系統。由于自然界許多物體比如土壤、水流、樹木并不產生諧波，因此半導體結點探測器具有雜波抑制能力和抗干擾能力強等特點。本文正是基于這一點，開發出一款工作在850～1000MHz頻段的射頻發射機，為滿足便攜式半導體結點探測器的需求，該發射機的發射功率應該達到一定量級，保證接收機能夠接收到目標再輻射的諧波，并且諧波抑制度要好，以免接收機接收到的諧波是發射機本振的二三次諧波，而不是目標物再輻射的諧波。

與常見的射頻發射機相比，本文設計的發射機具有帶寬大、發射功率可調、諧波抑制度好、體積小、成本低等優勢。

1 技術方案和實現原理

這部分通過對半導體結點探測器的原理和關鍵性能指標進行分析，指出決定其性能的關鍵指標。提出發射機的方案和原理，并對方案采用的關鍵技術以及實現原理進行解釋。

1.1 系統原理和關鍵性能指標

一個半導體結點探測器系統可以包括若干個單元：發射機、接收機、控制部分、電源和天線模塊。發射機產生射頻信號并由發射天線輻射給檢測目標，是便攜式半導體結點探測器的激勵源。接收機經由接收天線收集被檢測目標的高次諧波，并經過檢測處理作為檢測依據。控制部分負責檢測流程和人機界面的處理，而電源為各個模塊提供電源。

根據便攜式半導體結點探測器方程:

可以看出一個便攜式半導體結點探測器的關鍵性能指標包括兩點：發射功率和接收靈敏度。發射功率水平決定了目標的諧波水平，接收機靈敏度決定了便攜式半導體結點探測器獲取微弱信號的能力。然而發射功率過大也可能帶來安全和健康的風險，需要控制在一定范圍內，并且最好能根據不同場景可以選擇不同的功率。

同時，在實際應用場景中，因為空間電磁環境非常復雜，許多民用通信的信號將對接收機分析諧波形成干擾，從而降低系統的靈敏度。例如手機通信頻段(2G/3G)和WLAN頻段，都將抬高空間電磁噪聲的水平。

再者，發射機PA本身存在失真，其產生的高次諧波如果泄漏到接收機，也將增加便攜式半導體結點探測器系統的虛警概率。

因此規避存在干擾的頻段，提高發射機PA的線性度和降低泄漏干擾可以有效提高系統的性能。

為了實現高性能的便攜式半導體結點探測器，本文設計的發射機應實現以下指標：

①最大輸出功率2W，輸出功率20mW～2W可以調節。以適應不同的探測場景。

②輸出頻率范圍850MHz～1000MHz，寬頻率范圍和自適應的頻點選擇可以有效規避空間電磁干擾。

③諧波抑制度好

④功耗低

1.2 發設計方案及框圖

圖1 發射機原理框圖

發射機是便攜式半導體結點探測器信號產生和發射單元，其主要性能要求包括輸出信號的頻率、功率和諧波抑制等。在發射機內部包括了若干個射頻處理單元。VCO壓控振蕩器和鎖相環路配合，產生一個固定頻率的信號。然后對產生的信號進行濾波，主要濾除高次諧波。接著經過一個數字控制的衰減器，可以使得功率按照一定幅度調整，以適用于不同的場景。該信號經衰減和濾波后，由放大器和PA進行信號放大后輸出。為了實現輸出功率可調可控，衰減和自動功率控制均采用數字控制方式。

PA的輸出端加上了一個功率檢測和駐波檢測，以防止外邊接觸不良引起PA的損壞，以及PA長期工作導致的性能下降，保證發射機有穩定的功率輸出，并在天線口故障的情況下提供告警和保護射頻器件，避免燒毀PA器件，提高設備穩定性。

1.3 關鍵技術和實現原理

為了提高便攜式半導體結點探測器系統性能和解決實際應用場景中的問題，發射機采用了一些新的射頻設計技術。主要包括：

①高效率高線性功放設計

②發射機自動功率控制設計

③探測信號寬頻率范圍設計

1.3.1 高效率高線性功放設計

PA設計一直是射頻領域的難點，因為它綜合了射頻中的多個參數：最大輸出功率，非線性失真，匹配，穩定性，效率和增益等。目前同類便攜式半導體結點探測器產品采用的PA器件多數已停產或即將淘汰，采用新型的PA芯片可以有效提高效率和穩定性。并通過合適的匹配設計，以達到高效率和高線性的平衡。

同時PA輸出駐波一般比較差，如果天饋部分駐波匹配不好的話很容易出現反射功率過大而導致功放燒毀的現象。根據實際情況可以加入駐波檢測單元，當天線口駐波過大時提供告警功能，并主動降低發射功率，以避免設備燒毀。

圖2 駐波檢測原理

1.3.2 發射機自動功率控制設計

輸出功率的控制原理APC(auto power control) 如圖3所示，當檢測到輸出功率過高時，通過反饋，實現輸出功率的穩定和可調。同時為了實現控制精度，采用數字控制方式，可以更加靈活的按照一定步進進行特定輸出功率設置。

圖3 APC電路控制原理

目前市場功率探測器產品基本是單一發射功率，這種設計存在缺點。如果發射功率過低，檢測范圍必然小，加上靈敏度范圍不高，難以實現有效探測；而片面加大發射功率，將影響電池使用時間，并且在一些特殊場合可能影響安全或健康（加油站、醫院或人體輻射傷害）。通過對發射機的輸出功率進行檢測并控制，可以使便攜式半導體結點探測器更靈活地使用在各個場景中。

1.3.3 探測信號寬頻率范圍設計

由于不同地區和國家的頻率分配不同，為了實現基波、二次諧波和三次諧波不落入民用通信頻段，需要采用寬頻率范圍設計。

包括目前國內CDMA頻段、GSM頻段、3G頻段和WLAN頻段等，如果諧波落入這些頻段則很容易受到干擾，影響檢測結果。尤其在接收機高靈敏度的時候，來自基站或者手機的信號很容易影響諧波信號的接收和處理。而最好的方式是規避這些頻段。這樣就需要一個能提供寬頻率范圍的發射機信號，目前采用850MHz～1000MHz，其二次諧波范圍1700MHz～2000MHz，三次諧波2550MHz～3000MHz，可以比較容易地實現低背景噪聲頻點選擇。

圖4 鎖相環原理

頻率發生器在發射機中來源于鎖相環，為了實現較好的性能，需要對相位噪聲進行控制。頻率發生器的原理圖如4，其晶振和環路濾波器均會影響性能，通過良好的設計和調諧來實現，為了實現步進控制，可以選擇以200KHz作為步進調節。

同時為了實現強壯性，對頻率綜合器的狀態進行檢測，出現失鎖時告警。并為控制電路提供鎖定指示和失鎖告警接口。

2 器件選型

頻率綜合器是發射機中一個重要的器件，頻綜的選擇要考慮其頻率范圍要符合帶寬設計要求；其次其相位噪聲性能要好；第三選擇集成度高，內部集成了VCO、鑒相器的，容易對其控制。由于便攜式半導體結點探測器發射機對對頻率穩定度要求不是很高，頻標精度10PPM，這里采用溫補的TCXO就可滿足。

在選擇濾波器的類型方面，有兩種，LC濾波器和聲表面濾波器，它們各有優缺點。LC濾波器體積要大一些，但它的帶寬較寬，符合本設計要求；其最大的優點是帶外抑制指標高，尤其是諧波抑制度好，這正是本設計希望達到的。實際設計時可采用兩級的LC濾波器，進一步提高諧波抑制度。此外LC濾波器便于今后優化。聲表面濾波器的優點是體積小、參數一致性好、矩形系數好，但諧波抑制性能比較差，功率級別不夠，不能承受1W以上的功率，因此不適合本設計的要求。

選用放大器要求頻響要好，在寬頻段內增益平坦度要好；增益高，用一級代替兩級；線性度好，諧波低。

功放是發射機最重要的器件。功放的選擇首先是效率要高；其次輸出功率要滿足設計要求，本設計要求輸出功率2W；第三要考慮所選的器件是否廣泛使用，匹配簡單、便于實現、便于生產。此外還要考慮功放器件PCB設計和加工工藝，因為功放是散熱器件，散熱面積、功放到外殼熱阻的大小和功放的性能都有很大的關系。

耦合器要選擇方向性和隔離度指標好的。在本設計中耦合器實現的功能一個是監控輸出功率大小，另一個是為保護功放，檢測天線口駐波大小。此外該器件的插入損耗要小，耦合器放置在攻防輸出到天線口之間，損耗越小越好，否則消耗能量。

3 測試結果

為了驗證上述設計，制作了包含電源模塊及以上各部分的PCB板，板材采用FR4，射頻接口采用SMA。另外制作了控制板用單片機為頻率綜合器提供時鐘信號、使能信號和控制數據，方便進行配置。

測試連接圖如下：

采用U8002A電源進行供電，使用的頻譜儀為Agilent N9020A。

3.1 輸出功率測試結果

最小發射功率6.60dBm；

最大發射功率32.704dBm

3.2 輸出頻率測試結果

850MHz～1050MHz

3.3 諧波抑制度測試結果

二次諧波抑制度95dBm

三次諧波抑制度103dBm

3.4 功耗測試結果

a) 最大發射功率32.7dBm，PA開啟時，電源電流表顯示1.4A。

b) 發射功率27dBm， PA開啟時，電源電流表顯示0.62A

c) 發射功率30dBm，PA開啟時，電源電流表顯示0.87A

從測試結果可以看出，設計的發射機發射頻率在850～1000MHz之間可調，頻率穩定性好，頻譜純凈度較高。最大發射功率達到2W，并可以在20mW～2W之間可調。發射機的諧波抑制度好，功耗較低。

4 結論

本文設計并實現了便攜式半導體結點探測器系統的發射機。通過一系列測試表明，該射頻發射機具有工作頻帶寬、諧波抑制度好、參數可調、功耗較小等優異性能、同時該發射機有體積小和成本低等特點。應用在通信領域，尤其是便攜式半導體結點探測器系統中有著極為廣泛的前景。

射頻電路設計-理論與應用。王子宇，張肇儀，徐承和。電子工業出版社，2005