雙通道微波密度濕度檢測儀信號源設計

孫宏杰

摘 要：介紹了一種雙通道微波密度濕度檢測儀信號源的原理，詳細闡述了穩幅控制的設計，并通過分析和實驗說明了制造生產過程中的工藝要求。

關鍵詞：雙通道；信號源；穩幅；諧振腔

0 引言

煙支的密度和濕度分布是卷煙的一項重要指標，它直接影響煙支的重量、吸阻等指標，并進而影響抽吸過程的口感。對于卷煙企業來說，進一步優化煙支中煙絲的密度和濕度分布，不僅可以提高香煙在卷制過程中的質量水平，還有利于降低生產過程中的煙絲用量，因此如何更好地控制煙支的密度和濕度一直是煙廠最重視的問題。

目前，國內煙廠的超高速卷接機組都采用的雙通道模式，重量控制系統的傳感器為雙通道微波密度濕度檢測儀，其基本原理是在處理器的控制下，被測量的煙條通過圓柱形諧振腔時，因為每一段煙條的密度和濕度都不一樣，使得電磁場的頻率和幅值都發生改變，然后被檢波電路測量出來，最后根據煙絲水分含量與電磁場參數變化之間的數學模型，得到每段煙條的密度和濕度，從而計算出重量并提供給重量控制系統，達到控制煙支重量的目的[1]。

雙通道微波密度濕度檢測儀主要包括控制電路和微波電路兩個組成部分，控制電路部分設計采用DSP+CPLD的方案，即數字電路以大規模可編程器件為硬件平臺，綜合集成整機控制、地址譯碼、時序管理、數據處理等功能；微波電路部分信號源的設計采用DDS+PLL數字化設計方法，鎖相環路由AD9852、VM950等器件組成，利用AD9852可高速切換頻率控制字的特點，得到微波跳頻信號，再經功分器產生雙路微波調頻信號，最后經放大穩幅處理，輸出滿足要求的微波信號。

1 信號源設計

傳統的合成信號源設計是基于模擬分立元件的方法設計的。采用這種方法設計所需電路很多，體積比較大，調試復雜，可靠性差，相噪較高，控制的穩定性有所欠缺。由于本產品是雙路輸出，如果按傳統的設計方法，還需要增加一套信號源電路。因此傳統的設計方法無法滿足本產品的設計要求。

雙通道微波密度濕度檢測儀采用基于DDS+PLL的合成信號源設計方案，并且特別地采用對單路合成信號源進行功分并只對其中一路信號源輸出進行取樣穩幅控制的方案。使用單路穩幅的雙路輸出信號源設計是本產品設計低功耗和提高可靠性的關鍵技術之一。這里值得注意的是，要使單路穩幅的雙路輸出信號源設計的方案達到設計要求，這就必須要求兩個通道的圓柱形諧振腔特性要盡可能一致（如Q值、諧振頻率等），實際加工腔體時使用加工中心一次裝夾加工成型，對外形尺寸精度以及諧振腔內部光潔度有嚴格的要求[2]，完全可以保證達到設計要求。

基于單路穩幅的雙路輸出信號源設計的原理如圖1所示。在硬件電路上主要由DDS控制、鎖相環、穩幅控制、雙通道信號源的功分實現及功率放大等電路構成。鎖相環（PLL）是整個設計的關鍵，由輸入參考時鐘、低通濾波器、鑒相器、環路濾波器、壓控振蕩器、分頻器及直接數字合成（DDS）構成，它的好壞對整個電路的輸出有著直接影響，其中鑒相器的作用是將直接數字合成的輸出頻率和參考頻率進行鑒相，環路濾波器的作用是濾除相位固定的鑒相器輸出信號的高頻分量，然后去控制壓控振蕩器的輸出，使其鎖定在需要的頻率上。本設計中，DDS選用的是ADI公司的AD9852，其內部包括兩個12位的D/A轉化器，14位可編程相位偏置寄存器，48位的可編程頻率控制寄存器，系統的最高時鐘范圍可以達到300 MHz，DDS通過單片機PIC16F877控制其串行接口，并得到所需環路參考電壓以及頻率控制字；鑒相器選用Hittite公司（編者注：已被ADI收購）生產的一款數字鑒頻鑒相器HMC439，其鑒頻鑒相頻率為10～1 300 MHz，具有超低的單邊帶調制相噪基底，由于是電壓型輸出，輸出頻帶相當寬，所需的VCO要求有很寬的調諧范圍（0～20 V），VCO選用的ZCOM公司的VM950，輸出頻率范圍（4.9～6.5） GHz。

2 信號源的穩幅控制

影響信號源幅度變化的因素很多，包括負載、電源、環境等的變化，而信號源輸出幅度的不穩定，又直接會使測量結果不準確，所以一般微波信號源都采用負反饋控制環路來穩幅。在穩幅電路的負反饋控制環路中，壓控衰減器接收微波信號輸入，經射頻放大電路后，由耦合器或功分電路將其中的一部分功率分配給檢波器，最后檢波電壓和參考電壓經過求和積分運算，形成調節壓控衰減器衰減量的控制電壓，使信號輸出功率恒定。

目前，雙通道微波信號源的設計，多數采用的方法是兩組獨立的電路，其優點是兩路信號完全獨立，互相之間沒有干擾，缺點是使用器件數量增加，降低了可靠性，同時兩組器件參數的不一致也給兩路信號帶來差別，另外控制電路需要對兩路信號分別控制，也加大了處理器的負擔。

本設計采用單路信號通過功分器產生雙路信號，把電調衰減器放置在功分器之前，同時通過對其中一個通道的輸出采用耦合器取樣的方式進行穩幅檢波的穩幅控制電路，如圖1所示。電調衰減器負責接收前級輸出和經檢波運算輸出的兩路信號，并將幅度調節到預置范圍內；功分器采用表面貼裝的小尺寸集成電路，負責將輸入信號分為兩路為輸出信號；功率放大分為前級放大和中功率放大，其作用一是用于補償前級的插入損耗，二是將輸出信號的功率放大到系統所需的范圍；低通濾波器采用7階階躍阻抗，在印制板上通過微帶線繪制，用于濾除高頻噪聲；穩幅檢波電路由定向耦合器和一對檢波二極管組成，分別負責對輸出信號和對地進行檢波；積分求和運算的信號輸入端分別連接檢波器的耦合檢波和對地檢波的輸出，并對兩路信號進行積分求和，得到電調衰減器控制信號。為了保證輸出信號的穩定，穩幅采樣盡量的靠近了信號輸出端，同時為了減小環境溫度的變化對信號輸出的影響，在電路中增加了溫度補償。此設計的優點是簡化了電路，減輕了處理器的工作量，增加了系統的可靠性；缺點是兩路信號之間的共用電路增多了，更加容易產生兩者之間的干擾[3]。

單路穩幅原理框圖如圖2a所示，信號輸入進入壓控衰減器后再進行二功分，將單路信號變換為雙路信號，然后各自進行功率放大，最后對其中一路進行耦合采樣，經比例、積分運算后送入壓控衰減器對輸出信號進行功率調節，起到穩幅作用；雙路穩幅原理框圖如圖2b所示，信號輸入經二功分變換為雙路信號，每路信號經壓控衰減器后再進行功率放大，最后分別對輸出信號進行耦合采樣，經比例、積分運算后分別送入各自的壓控衰減器進行功率調節，起到穩幅作用。

在開發過程中，為摸索單路穩幅和雙路穩幅對系統穩定性的影響，給系統采用單路或雙路穩幅設計提供依據，對具有單路和雙路穩幅功能的兩臺實驗機在同一高低溫實驗箱中，在不同的溫度和濕度條件下進行穩定性測試，記錄反映穩定性指標的AC和DC值。首先設置高低溫環境實驗箱溫度40℃，濕度35%，等到溫、濕度完全平衡，雙通道微波密度檢測儀實驗機溫濕度完全穩定并在此溫濕度條件下運行3 h后，利用測試軟件測量單、雙穩幅雙通道微波密度檢測儀通道1和通道2的AC、DC數據，測試數據見表1，折線圖見圖3。

實驗中設置的參考AC、DC值分別為192和361，從表1測試數據看出，只有在高低溫環境實驗箱的溫濕度由40℃，0%變化到0℃，0%階段，單穩微波密度檢測儀通道2的DC較參考值變化較大，通過分析：單路穩幅微波密度檢測儀耦合采樣一路輸出信號來同時穩定兩路輸出信號，需要兩路信號使用的元器件參數及布線一致性較高。在后續的改進過程中，一是印制板的繪制，不僅要保證功分電路兩個輸出通道走線要嚴格的等長，而且為防止它們之間出現相互串擾，還需加屏蔽進行保護；二是兩個通道的諧振腔特性要盡可能一致（如 Q值、諧振頻率等），實際加工腔體時使用加工中心一次裝夾加工成型，對外形尺寸精度以及諧振腔內部光潔度有嚴格的要求。

3 結語

該設計采用的信號源技術方案，大大減少了電路體積，降低成本的同時還提高了整機可靠性。其產品已在實際中經過長期使用，性能指標和可靠性完全滿足客戶需求。

參考文獻：

[1] 林偉，楊健榮.一種雙通道微波密度濕度檢測儀的研制[J].電子質量，2015（12）：69-74.

[2] 張杰.微波密度傳感器諧振腔的結構設計[J].現代制造工程，2009 （4）：108-110.

[3] 林偉，張紅兵，等.一種雙通道輸出微波信號源穩幅控制裝置[P].北京：國家知識產權局，2014.