MAX2871在手持式無線電綜測試儀中的應用

宮夏

【摘 要】本振合成電路是無線電發射機與接收機的重要組成部分，它為發射機和接收機的頻率變換提供本振信號。隨著儀器小型化的發展，內部空間越來越小，本振合成電路的小型化設計必不可少。MAX2871是一款集成壓控振蕩器（VCO）的超寬頻帶鎖相環（PLL），可產生23.5MHz～6000MHz頻率范圍的時鐘，滿足手持式無線電綜測儀所需的本振頻率，減小了射頻電路面積，達到小型化儀器設計目的。

【關鍵詞】無線電綜測儀；MAX2871；發射機；接收機

【Abstract】Local oscillator synthesis circuits are important parts of Transmitter and Receiver，it will provide local oscillator signals for Transmitter and Receivers frequency conversion.With the development of instruments miniaturization，and internal space is more and more smaller，to carry out miniaturization design of local oscillator synthesis circuits are essential.MAX2871 is an ultra-wideband phase-locked loop（PLL） with integrated voltage control oscilltors（VCO），capable of synthesizing frequencies from 23.5MHz to 6000MHz，satisfy handheld Radio Test Set requirements of the local oscillator frequency，reduced RF circuits area，achieving miniaturization of instrument design.

【Key words】Radio Test Set；MA2871；Transmitter；Receiver

0 引言

手持式無線電綜測試儀能夠測試無線電通信系統幾乎所有的部分：發射機、接收機、連接電纜和天線。它的實現離不開射頻信號上下變頻所需的本振信號，傳統的本振合成方案大概需要100個左右的分離器件，占用PCB面積約50mm×50mm，這樣四個本振電路的面積就將達到200mm×50mm，這是手持式儀器電路設計所不能接受的。

MAX2871是MAXIM公司推出的一款高性能、集成壓控振蕩器（VCO）的超寬頻帶鎖相環（PLL），配合外部參考時鐘振蕩器和環路濾波器，可產生23.5MHz～6000MHz頻率范圍的時鐘，+3.0～+3.6V供電，兼容1.8V控制邏輯，且體積僅為5mm×5mm×0.75mm[1]。既可為手持式無線電綜測儀上下變頻通路提供所需的本振信號，又可降低本振合成電路面積，達到整機小型化、低功耗設計目的。

本文主要從MAX2871電路原理及寄存器設置、MAX2871在變頻通路中的應用兩個方面著重介紹MAX2871在手持式無線電綜測試儀中的應用。

1 MAX2871電路原理及寄存器設置

MAX2871關鍵特性如下：

（1）輸出頻率范圍：23.5MHz～6000MHz

（2）最大鑒相頻率（PFD）：140MHz

（3）最大參考時鐘頻率：210MHz

（4）可編程輸出功率：-4dBm～+5dBm

1.1 MAX2871電路原理設計

MAX2871射頻輸出端口支持雙路差分輸出，本設計中采用單路+單端+基頻輸出方式，未使用的另一輸出端應該端接相應負載，并且和使用的輸出端一樣上拉至電源。沒有使用的差分輸出端口應直接連接到VCC_RF，同時在Register 4中將其設置為禁止輸出。

無線電綜測儀上下變頻通路共需使用4個MAX2871，其硬件電路基本一致，只需在軟件中設置不同頻率的寄存器參數，便可輸出相應頻率的本振信號。以發射第二本振為例，MAX2871電路原理圖如圖1所示。

1.2 MAX2871相關寄存器參數設置

MAX2871需設置5個寄存器參數，設置順序為0x05，0x04，0x03，0x

式中，為鑒相頻率，為外部時鐘參考，DBR為參考倍頻模式選擇，RDVI2為參考分頻模式選擇，R為分頻比（1～1023）。本設計中MAX2871采用25MHz鑒相頻率，則分別可得出DBR=0，R=2，RDVI2=1，然后在Register 2中設置好相應控制參數即可。

由于本設計采用單路+單端+基頻輸出方式，因此輸出頻率計算公式為：

式中，為輸出頻率，N為16位整數模（寄存器0控制），M為小數模（寄存器1控制，此處取最大值4095），F為小數分頻比值（0～M-1，寄存器0控制）。若發射二本振頻率為3115.5MHz，鑒相頻率為25MHz，則N=124，F=0.62×M=2539，由此可得出相關寄存器的參數值，然后通過CPLD將寄存器參數寫入MAX2871。

2 MAX2871在變頻通路中的應用

2.1 發射通路上變頻

無線電綜測試儀發射通路采用超外差式發射機結構[2]，通過三級上變頻的方式實現12.5MHz中頻信號到2MHz～2700MHz發射信號的轉換。12.5MHz中頻信號由中頻板DAC成型，經放大、濾波后，通過屏蔽線纜送入發射通路，作為第一中發射頻。該第一發射中頻與本振板上的100MHz第一發射本振混頻產生87.5MHz第二發射中頻。該第二發射中頻與MAX2871提供的3115.5MHz第二發射本振混頻，產生3203MHz第三發射中頻。該第三發射中頻與MAX2871提供的3205MHz～5903MHz第三發射本振混頻，產生2MHz～2700MHz發射信號。發射通路三級上變頻原理框圖如圖2所示。

2.2 接收通路下變頻

無線電綜測試儀接收通路采用超外差式接收機結構，通過三級變頻的方式實現2MHz～2700MHz輸入信號到10.7MHz固定中頻信號的轉換。為了避免鏡像頻率，第一次變頻采用上變頻技術：MAX2871產生的第一接收本振3207.7MHz～5905.7MHz與射頻輸入信號2MHz～2700MHz混頻，產生3205.7MHz第一接收中頻。該第一接收中頻與MAX2871產生的第二接收本振3095MHz混頻，產生110.7MHz第二接收中頻。該第二接收中頻與第三接收本振100MHz混頻，產生10.7MHz中頻。10.7MHz中頻信號經濾波、放大后通過屏蔽電纜送入中頻板進行信號分析[3]。接收通路三級下變頻原理框圖如圖3所示：

2.3 MAX2871輸出本振頻率的選取

變頻通路中本振頻率及中頻頻率的選取尤為重要，不合適的本振頻率及中頻頻率會導致信號合成源輸出雜散頻點及接收機剩余響應點的增加，降低發射機與接收機的整體性能。

由于混頻器的射頻輸入與中頻輸出端的有限隔離，輸入信號可能不經轉換而直接泄露至后級通路，發射通路中最后一級濾波器為2.7GHz低通濾波器，為了減小本振及中頻泄露雜散信號的幅度，發射本振頻率及中頻頻率均應在2.7GHz低通濾波器帶外，這樣高于2.7GHz的本振信號及中頻信號可被低通濾波器濾除，減小了第三本振及中頻泄露所帶來的雜散信號幅度。

剩余響應又稱為殘余響應，它是接收機的一項重要測試指標，是指接收機在沒有任何外部信號輸入的情況下，由于接收機自身多級變頻本振的諧波、晶體振蕩器的諧波互相混頻產生，是一種不可避免的假響應，功率較大時會影響系統的動態范圍[4]。

接收通路本振信號的各次諧波互相混頻產生的中頻信號落入中頻濾波器帶內，進而會在頻譜分析儀中顯示出來，因此在設計接收通路變頻方案時，必須合理選擇各級MAX2871輸出本振的頻率，盡可能減少剩余響應點數。可通過Matlab建模仿真的方法計算不同輸出本振頻率下所產生剩余響應的點數，然后再排除各級本振高次諧波（需根據實際情況進行取舍）的因素后，綜合比較選取產生剩余響應點數少的本振頻率作為接收變頻通路的本振信號，再配合硬件電路所設計的濾波器，最終達到減小剩余響應點數及幅度的目的。

此外，過大的本振信號功率會導致混頻器工作在非線性區，進而導致剩余響應幅度的增加。合理的本振輸出功率也是減小剩余響應點的有效手段之一，本振輸出功率可通過MAX2871的Register 4進行設置，確保本振的輸出功率正常驅動混頻器即可，不可過大[5]。

3 結束語

采用超寬頻帶、集成壓控振蕩器的鎖相環MAX2871作為手持式無線電綜測儀發射機與接收機變頻通路的本振源，與傳統本振合成方案相比，大大減小了射頻電路面積、降低了整機功耗，為手持式無線電綜測儀的實現提供良好的硬件基礎。

【參考文獻】

[1]MAX2871.pdf.https：//www.maximintegrated.com/cn/products/comms/wireless-rf/MAX2871.html.

[2]熊晶.基于認知無線電的射頻發射前端關鍵技術研究[D].廣州：華南理工大學，2014.

[3]劉榮庭.3GHz頻譜分析儀射頻通道設計[D].成都：電子科技大學，2013.

[4]邱康康.小型化頻譜監測設備前端組件的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2014.

[5]張明岳，杜會文，杜以濤.一種信號分析儀剩余響應的抑制方法研究[J].電子世界，2016（07）：133-134.

[責任編輯：朱麗娜]