多頻段遙測監護儀收發電路的設計

單月忠，方超，馮成彬

紹興第二醫院醫學工程科 （浙江紹興 312000）

隨著現代醫療技術的快速發展，大型醫療設備對工作頻段的性能要求越來越高，但是目前醫院的無線噪聲越來越大，醫療設備有可能長期工作于低性能的頻段，對患者的監護存在巨大的隱患。遙測監護儀作為監護患者的重要醫療設備，其在工作頻段的正常工作對患者的監護非常重要。

分析遙測監護儀目前的工作頻率，發現為200～600 MHz，但隨著通信技術的快速發展，頻段資源越來越緊張，需要設計人員開發出一套具有寬頻帶、高性能、可調節配置的寬頻帶遙測監護儀。

遙測監護儀最重要的組成部分為收發電路，傳統的收發電路采用超外差式電路構成無線收發機，但其電路結構復雜且主要由直插式芯片和簡單電容電阻組成，并嘗試通過調節阻值或容值以產生穩定的輸出信號，由此調制和解調后的輸出信號往往噪聲較大，傳輸距離也較短，無法滿足飛速發展的醫療設備要求。直接上變頻和直接下變頻技術具有低復雜性和高靈活性等特點，該技術能夠極大地減小發射機和接收機自身所帶來的噪聲[1-3]。因此，我們采用直接上變頻和直接下變頻技術研究多頻段遙測監護儀的收發電路。

1 整體設計框架及各模塊設計

1.1 鎖相倍頻電路設計

鎖相倍頻器電路采用集成的鎖相頻率合成技術進行設計，其內部核心主要為鎖相環，包含相位檢測器、環路濾波器和壓控振蕩器[4]，工作基本原理見圖1。

圖1 鎖相環基本原理

目前已具有鎖相倍頻器集成芯片。本設計采用ADF4351芯片進行設計，該芯片內部集成鎖相環電路，且內部集成的壓控振蕩器具有低相位噪聲特性，工作電壓3.3 V，頻率輸出2.2～4.4 GHz，通過芯片內部可編程的集成分數和整數頻率合成器，可輸出35 MHz至4.4 GHz的寬頻帶頻率源[5-6]。這些特性是實現多頻段電路的理想選擇。

所設計的輸入輸出電路見圖2，ADF4351輸入模擬心跳頻率REFin為30.72 MHz，同時其接收3個控制信號DATA、CLK、LE改變輸出頻率，模擬心跳頻率通過芯片后輸出一對本振信號源LO_P、LO_N。

圖2 輸入輸出電路

以輸出915 MHz頻率為例，在芯片輸出管腳LO_P或LO_N進行模擬頻率測試，得到輸出信號頻譜（圖3）。輸入的模擬心跳頻率30.72 MHz，經過芯片后所得到的信號功率約為-5 dBm，具有高性能、高穩定性等特點，達到設計要求。

圖3 輸出915 MHz頻率信號頻譜

1.2 接收電路設計框架

基于直接下變頻技術的優點，接收電路框架采用該技術進行設計，見圖4。過程如下：首先，計算機通過數據指令控制單片機，將所需要的頻率和衰減量通過指令傳輸給芯片內部寄存器，然后控制DDS模塊輸出30.72 MHz的模擬心跳頻率，該模擬心跳頻率通過鎖相倍頻后，將頻率值輸送給ADL5380下變頻芯片，該頻率值用于充當本振信號源，同時射頻信號通過巴倫，以單端信號的形式輸入，最終解調后的I、Q兩路信號通過數字衰減芯片HMC624LP4和低噪放芯片BL051后，得到所需的基帶信號。

圖4 接收電路結構

搭建的接收電路見圖5。LO_P、LO_N為輸入的本振信號，RFIP、RFIN為輸入的射頻信號，OUT_I、OUT_Q為解調后的輸出基帶信號。

圖5 ADL5380外圍電路

1.3 發射電路設計框架

同樣的，基于直接上變頻技術的優點，發射電路框架采用該技術進行設計，見圖6。過程如下：與接收電路類似，由鎖相倍頻芯片生成的頻率值充當射頻信號，該頻率輸入ADL5385上變頻芯片，同時基帶信號通過巴倫，以差分信號的形式輸入，最終調制后的信號功率通過控制后輸出。

圖6 發射電路結構

搭建的發射電路見圖7。LO_P、LO_N為輸入的射頻信號，IN_Q、IN_I為輸入的基帶信號， 為調制后的輸出射頻信號。

圖7 ADL5385外圍電路

1.4 功率控制電路設計

由于設計的電路是多頻段收發電路，在ADF4351芯片輸出差分信號頻率后，首先應將其變為單端信號頻率，然后再將其輸入衰減器和低噪放電路，以實現對輸出功率的可調。

數字衰減器采用HITTITE公司的HMC624LP4，其是一款GaAs單片微波集成芯片，工作頻率為0～6 GHz，最大可衰減功率值可達31.5 dB，通過對其串行時鐘、串行數據、使能的數據傳輸控制，即可得到所需輸出頻率的功率值，且在0～3 GHz工作時的插入損耗僅為1.8 dB，具有損耗小等特點，非常適合本電路的設計[7]。電路設計時HMC624LP4芯片6腳ATTIN是需要衰減的輸入信號，13腳ATTOUT是衰減完成后所輸出的信號，芯片內部輸入和輸出引腳的內部電阻也已匹配至50 Ω，減少了高頻信號的衰減，外部信號只需經過直流耦合后，即可直接進入該芯片進行功率的衰減。低噪聲放大器采用BeRex公司的BL051，該款芯片工作電壓為5 V，可在5～4 400 MHz寬頻帶內工作，其在900 MHz和1.9 GHz頻段工作時的增益分別有19 dB和14 dB，符合本設計的要求[8-9]。

芯片輸出信號的外圍匹配電路見圖8。

圖8 外圍匹配電路

2 硬件電路設計及實現

PCB版圖的繪制采用4層板進行設計，最終版圖見圖9。完成后，對電路板進行調試焊接，在焊接中，均采用SMT封裝，有助于降低這些元件在高頻信號下所產生的寄生電阻、電容、電感，提高輸出信號頻率的質量，同時為了減少數字部分與模擬部分電路的相互影響，對電源層和地層也進行了分段處理，調試焊接后得到的多頻段收發電路板見圖10。

3 性能測試

設計完成電路板后，進行性能測試。首先進行接收電路性能測試，以鎖相倍頻芯片輸出915 MHz為例，設置數字衰減器衰減量為8 dB，模擬心跳頻率由DDS模塊產生，射頻信號905 MHz由信號發生器產生，解調后信號輸入頻率儀進行觀察，測得解調后的基帶信號頻譜（圖11）。輸出的基帶信號10 MHz的功率達到-10 dBm左右，性能穩定，達到設計的要求。

圖9 PCB版圖

圖10 電路板實物

圖11 解調輸出頻譜

然后進行發射電路性能測試，同樣以鎖相倍頻芯片輸出915 MHz為例，基帶信號10 MHz由信號發生器產生，調制后生成的發射信號頻譜見圖12。輸出的射頻信號功率達到0 dBm以上，性能穩定，達到預期設計要求。

圖12 調制輸出頻譜

4 結論

我們介紹了利用ADF4351、ADL5380、ADL5385、HMC624LP4、BL051和DDS模塊，采用直接上變頻和直接下變頻方法實現了多頻段收發電路。文中給出了電路設計的搭建過程和相關芯片的外圍電路，通過調試和性能優化，實現了一個結構簡單、性能高效的收發電路板，該電路板通過調節頻段和功率，能夠改變通信距離和識別距離。本設計實現的多頻段收發電路板，對今后多頻段遙測監護儀的實現具有重要價值。