一款超外差微波功率無線收發系統的設計與優化

陳見輝

摘要：該文主要以NE602元件為核心，通過對穩壓整流電路、混頻電路、放大電路、仿真分析等進行優化，設計出一款性能穩定、成本低廉、市場發展前景較為廣闊的微波無線收發系統。

關鍵詞： 測試;電路;穩壓;靈敏度

中圖分類號：TP338? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）23-0063-02

1引言

伴隨著無線科技的進步，5G移動通信技術已進入我們的生活，這無疑就對傳統的無線收發系統提出了更高的要求。如今，不同款式的短波收發系統已廣泛地應用于4G、5G等通信領域，成了眾多電子愛好者學習和研究的熱點;正是基于這種原因，通過對HF頻段收發信系統的學習與研究，提出了一種超外差式微波無線收發系統的設計方案;該方案在設計初期，針對系統主要技術指標做了實地定性測試，發射信道的發射頻率是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]，與理論計算基本吻合，符合預期要求。經過單元電路的調試和系統統調以及各節點信號的測試，最終證明了本方案的可行性，為了使系統更加穩定，體積更加靈巧便攜，該設計模塊大都采用了集成電路，有效降低了系統結構的復雜程度，節省了成本資源。

2系統設計方案

2.1電路系統框圖，如圖1所示。

2.2設計思路及工作原理

為了達到設計的預期效果，滿足測試中各項參數要求，通過軟件控制來實現的微波段無線接收系統和模擬電路來實現的微波無線接收系統進行比較，模擬電路在獲取測量數據信息上更加直觀，逼近實際值，而且在調試過程中方便、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，經過多次模擬實驗對比，最終選擇了純模擬電路組合方案;該方案主要由穩壓控制、整流電路[2]、混頻電路、放大電路、仿真優化、鍵控裝置構成[3];其中，該方案的核心模塊采用了一個具有低功耗帶輸入放大器的VHF雙平衡混頻器NE602A來實現信號的優先選擇，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行混頻后產生一個比較信號，而產生的這個比較信號即是CW音頻信號，然后將CW音頻信號送入LM386進行功率放大，該放大信號的作用主要用于關閉接收器在發射時由2N7000場效應管構成的靜音電路管道中的音頻信號，在構成音頻振蕩器中側音信號的同時，產生的反向波使其發出“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現信息收發工作的[4]，最后再通過擴增低通濾波器的高頻信號與接收信號進行連接，最終完成整個信息的收發過程。

3單元電路工作原理

3.1穩壓整流電路工作原理

該整流電路主要采用二極管進行整流，為了保證電路供電系統的穩定性，在整流管IN4001兩端并聯了兩個電解電容CP4、CP7，有助于增強電路中的電流、進一步緩和輸入信號對后級輸出波形帶來的影響，該電路在后級中設置C18有去耦合的作用，電路輸入直流電壓可達9～12V;穩壓部分采用LM78L06進行穩壓，該管子的穩壓性能良好，這樣就確保了輸出直流電壓為3～5V[5]，輸出電流可達到100mA，無須外接元件內部有熱過載保護和短路電流限制。

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C1進行耦合至NE602的輸入端，由于該器件的輸入端INA與INB已同時加入了混頻后的波形，而另一端則混入了7. 023MHz標準振蕩頻率，從而實現了混頻的目的。

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工作狀態下提供18dB增益且振蕩工作頻率為200MHz的CMOS器件，它內含雙平衡振蕩器（DBM）和穩壓器[7]，其中，雙平衡混頻器的工作頻率可達500MHz[8]，因此，它最適合用于高頻（HF） 和甚高頻（VHF）接收機中。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指標，在沒有外部高頻放大的情況下，能更好地提高接收機的靈敏度[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，由于本設計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，靜態時僅消耗4mA電流，消耗功率只有0.024瓦、失真小等優點，能清晰地聽見按鍵跟隨節拍所產生“滴答滴答”的音頻信號，可根據室外環境因素調整改變LM386附屬電容參數，來獲得不同微波頻率下的波段，使增益達到理想值;同時，還可以設置一個3.5mm的標準立體聲耳機接口。

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送提供足夠的功率放大，使發送信號能夠得到及時有效的傳輸。

4.2選頻電路工作原理

選頻電路主要是由并聯LC選頻網絡來實現選頻的，當有按鍵按下時，該電路可以準確地發送出7MHz左右的無線電波信號，根據選頻公式f0[=12πL（C1C2C1+C2）]來確定發射電路中元件的參數，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，當有按鍵按下時，LED B將被點亮，用于提示用戶有操作動作，LED A則關閉;當松開按鍵時，LED A亮，LED B滅，交替工作，確保電路工作狀態良好。

5仿真分析

由于射頻電路中需要用專用軟件進行仿真，一些物理性傳輸信號則需要用Matlab等數學工具的計算和仿真，因此在設計中采用僅選取了Multisim軟件對音頻電路和選頻電路進行仿真[14]，仿真結果如圖2、圖3所示，其他電路采用了測試、調試的方法來完成數據的采集。

6安裝與調試

首先進行調試的是發射電路，將控制按鍵與調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的測試值，如果頻率計顯示達到7MHz，說明發射模塊調試成功;這里要提醒的是切不可在沒連接控制按鍵的狀態下對其進行直接通電調試，因為D882功率三極管工作在30W的大功率下，如果電路不經控制按鍵直接接通，那么射頻電路模塊將會一直處于發射信號狀態，D882 則一直處在工作飽和區，一旦時間稍微久了該器件便會發燙，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，對混頻模塊進行調試時，先用示波器測試各個晶體振蕩器各起振點是否有頻率輸出，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，測試各點工作電壓是否正常，若在正常值范圍內即可使用天線進行實地觀測。

在進行音頻信號測試時，可以使用信號發生器的正弦波進行音頻放大測試，將信號發聲器的峰值VPP設置成毫安級，頻率則可設置成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7MHz的固定頻率波，因此，在調試的時候需要使用雙通道示波器進行波形測試，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，計算出詳細數據。

參考文獻：

[1] 程焰平.X波段可擴充相控陣雷達接收機實驗研究[J].雷達科學與技術，2010，8（3）：264-268.

[2] 田清華.雙直流穩壓電源的設計[J].科技視界，2013（13）：67.

[3] 劉濤. L波段發射機的研制[D]. 成都： 電子科技大學， 2015.

[4] 鄧英，喬東海.基于無線傳感器網絡節點的多路無線語音采集和播放系統[C].北京：中國科學院聲學研究，中國聲學學會，2006和諧開發中國西部聲學學術會議，2006.

[5] 徐麗香.模擬電子技術[M].北京：電子工業出版社，2007.

[6] 王衛東，傅佑麟.高頻電子電路[M].北京：電子工業出版社，2004.

[7] 逯貴禎.射頻電路的分析和設計[M].北京：中國傳媒大學出版社，2003.

[8] 魏萍. 超寬帶微波混頻器的研究[D]. 成都： 電子科技大學， 2008.

[9] 黃學宇，向永波，童創明，等.一種有源雙平衡微波混頻電路的設計與分析[J].空軍工程大學學報（自然科學版），2014，15（5）：76-79.

[10] 劉萍. 射頻集成電路中CMOS混頻器的設計[D]. 合肥： 安徽大學， 2008.

[11] 徐祎，姜暉，崔琛.通信電子技術[M].西安：西安電子科技大學出版社 ，2003.

[12] 王維周.OTL音頻功率放大電路設計[J].電子技術，2013，42（6）：59-60.

[13] 張倩.OTL音頻功率放大電路的分析與設計[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2018，14（2）：171-174.

[14] 唐金元，王翠珍.基于Multisim 10.0的選頻放大電路傳輸特性仿真研究[J].國外電子測量技術，2012，31（10）：46-48.

[15] 彭克發，先力.電子技術基礎[M].北京：中國電力出版社，2007.

【通聯編輯：唐一東】