便攜式半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)探測(cè)器發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

范 蓓

（公安部第一研究所,北京,100048）

0 引言

半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)探測(cè)器是基于非線性結(jié)點(diǎn)的諧波再輻射特性，通過(guò)發(fā)射基波信號(hào)，接收來(lái)自目標(biāo)再輻射的二次、三次諧波信號(hào)，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)識(shí)別的便攜式半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)探測(cè)器系統(tǒng)。由于自然界許多物體比如土壤、水流、樹(shù)木并不產(chǎn)生諧波，因此半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)探測(cè)器具有雜波抑制能力和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。本文正是基于這一點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出一款工作在850～1000MHz頻段的射頻發(fā)射機(jī)，為滿足便攜式半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)探測(cè)器的需求，該發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率應(yīng)該達(dá)到一定量級(jí)，保證接收機(jī)能夠接收到目標(biāo)再輻射的諧波，并且諧波抑制度要好，以免接收機(jī)接收到的諧波是發(fā)射機(jī)本振的二三次諧波，而不是目標(biāo)物再輻射的諧波。

與常見(jiàn)的射頻發(fā)射機(jī)相比，本文設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)具有帶寬大、發(fā)射功率可調(diào)、諧波抑制度好、體積小、成本低等優(yōu)勢(shì)。

1 技術(shù)方案和實(shí)現(xiàn)原理

這部分通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)探測(cè)器的原理和關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行分析，指出決定其性能的關(guān)鍵指標(biāo)。提出發(fā)射機(jī)的方案和原理，并對(duì)方案采用的關(guān)鍵技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行解釋。

1.1 系統(tǒng)原理和關(guān)鍵性能指標(biāo)

一個(gè)半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)探測(cè)器系統(tǒng)可以包括若干個(gè)單元：發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、控制部分、電源和天線模塊。發(fā)射機(jī)產(chǎn)生射頻信號(hào)并由發(fā)射天線輻射給檢測(cè)目標(biāo)，是便攜式半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)探測(cè)器的激勵(lì)源。接收機(jī)經(jīng)由接收天線收集被檢測(cè)目標(biāo)的高次諧波，并經(jīng)過(guò)檢測(cè)處理作為檢測(cè)依據(jù)?？刂撇糠重?fù)責(zé)檢測(cè)流程和人機(jī)界面的處理，而電源為各個(gè)模塊提供電源。

根據(jù)便攜式半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)探測(cè)器方程:

可以看出一個(gè)便攜式半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)探測(cè)器的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括兩點(diǎn)：發(fā)射功率和接收靈敏度。發(fā)射功率水平?jīng)Q定了目標(biāo)的諧波水平，接收機(jī)靈敏度決定了便攜式半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)探測(cè)器獲取微弱信號(hào)的能力。然而發(fā)射功率過(guò)大也可能帶來(lái)安全和健康的風(fēng)險(xiǎn)，需要控制在一定范圍內(nèi)，并且最好能根據(jù)不同場(chǎng)景可以選擇不同的功率。

同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，因?yàn)榭臻g電磁環(huán)境非常復(fù)雜，許多民用通信的信號(hào)將對(duì)接收機(jī)分析諧波形成干擾，從而降低系統(tǒng)的靈敏度。例如手機(jī)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(fā)射機(jī)PA本身存在失真，其產(chǎn)生的高次諧波如果泄漏到接收機(jī)，也將增加便攜式半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)探測(cè)器系統(tǒng)的虛警概率。

因此規(guī)避存在干擾的頻段，提高發(fā)射機(jī)PA的線性度和降低泄漏干擾可以有效提高系統(tǒng)的性能。

為了實(shí)現(xiàn)高性能的便攜式半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)探測(cè)器，本文設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下指標(biāo)：

①最大輸出功率2W，輸出功率20mW～2W可以調(diào)節(jié)。以適應(yīng)不同的探測(cè)場(chǎng)景。

②輸出頻率范圍850MHz～1000MHz，寬頻率范圍和自適應(yīng)的頻點(diǎn)選擇可以有效規(guī)避空間電磁干擾。

③諧波抑制度好

④功耗低

1.2 發(fā)設(shè)計(jì)方案及框圖

圖1 發(fā)射機(jī)原理框圖

發(fā)射機(jī)是便攜式半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)探測(cè)器信號(hào)產(chǎn)生和發(fā)射單元，其主要性能要求包括輸出信號(hào)的頻率、功率和諧波抑制等。在發(fā)射機(jī)內(nèi)部包括了若干個(gè)射頻處理單元。VCO壓控振蕩器和鎖相環(huán)路配合，產(chǎn)生一個(gè)固定頻率的信號(hào)。然后對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行濾波，主要濾除高次諧波。接著經(jīng)過(guò)一個(gè)數(shù)字控制的衰減器，可以使得功率按照一定幅度調(diào)整，以適用于不同的場(chǎng)景。該信號(hào)經(jīng)衰減和濾波后，由放大器和PA進(jìn)行信號(hào)放大后輸出。為了實(shí)現(xiàn)輸出功率可調(diào)可控，衰減和自動(dòng)功率控制均采用數(shù)字控制方式。

PA的輸出端加上了一個(gè)功率檢測(cè)和駐波檢測(cè)，以防止外邊接觸不良引起PA的損壞，以及PA長(zhǎng)期工作導(dǎo)致的性能下降，保證發(fā)射機(jī)有穩(wěn)定的功率輸出，并在天線口故障的情況下提供告警和保護(hù)射頻器件，避免燒毀PA器件，提高設(shè)備穩(wěn)定性。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)原理

為了提高便攜式半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)探測(cè)器系統(tǒng)性能和解決實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的問(wèn)題，發(fā)射機(jī)采用了一些新的射頻設(shè)計(jì)技術(shù)。主要包括：

①高效率高線性功放設(shè)計(jì)

②發(fā)射機(jī)自動(dòng)功率控制設(shè)計(jì)

③探測(cè)信號(hào)寬頻率范圍設(shè)計(jì)

1.3.1 高效率高線性功放設(shè)計(jì)

PA設(shè)計(jì)一直是射頻領(lǐng)域的難點(diǎn)，因?yàn)樗C合了射頻中的多個(gè)參數(shù)：最大輸出功率，非線性失真，匹配，穩(wěn)定性，效率和增益等。目前同類便攜式半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)探測(cè)器產(chǎn)品采用的PA器件多數(shù)已停產(chǎn)或即將淘汰，采用新型的PA芯片可以有效提高效率和穩(wěn)定性。并通過(guò)合適的匹配設(shè)計(jì)，以達(dá)到高效率和高線性的平衡。

同時(shí)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(xiàn)反射功率過(guò)大而導(dǎo)致功放燒毀的現(xiàn)象。根據(jù)實(shí)際情況可以加入駐波檢測(cè)單元，當(dāng)天線口駐波過(guò)大時(shí)提供告警功能，并主動(dòng)降低發(fā)射功率，以避免設(shè)備燒毀。

圖2 駐波檢測(cè)原理

1.3.2 發(fā)射機(jī)自動(dòng)功率控制設(shè)計(jì)

輸出功率的控制原理APC(auto power control) 如圖3所示，當(dāng)檢測(cè)到輸出功率過(guò)高時(shí)，通過(guò)反饋，實(shí)現(xiàn)輸出功率的穩(wěn)定和可調(diào)。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)控制精度，采用數(shù)字控制方式，可以更加靈活的按照一定步進(jìn)進(jìn)行特定輸出功率設(shè)置。

圖3 APC電路控制原理

目前市場(chǎng)功率探測(cè)器產(chǎn)品基本是單一發(fā)射功率，這種設(shè)計(jì)存在缺點(diǎn)。如果發(fā)射功率過(guò)低，檢測(cè)范圍必然小，加上靈敏度范圍不高，難以實(shí)現(xiàn)有效探測(cè)；而片面加大發(fā)射功率，將影響電池使用時(shí)間，并且在一些特殊場(chǎng)合可能影響安全或健康（加油站、醫(yī)院或人體輻射傷害）。通過(guò)對(duì)發(fā)射機(jī)的輸出功率進(jìn)行檢測(cè)并控制，可以使便攜式半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)探測(cè)器更靈活地使用在各個(gè)場(chǎng)景中。

1.3.3 探測(cè)信號(hào)寬頻率范圍設(shè)計(jì)

由于不同地區(qū)和國(guó)家的頻率分配不同，為了實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)。

包括目前國(guó)內(nèi)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(cè)結(jié)果。尤其在接收機(jī)高靈敏度的時(shí)候，來(lái)自基站或者手機(jī)的信號(hào)很容易影響諧波信號(hào)的接收和處理。而最好的方式是規(guī)避這些頻段。這樣就需要一個(gè)能提供寬頻率范圍的發(fā)射機(jī)信號(hào)，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(shí)現(xiàn)低背景噪聲頻點(diǎn)選擇。

圖4 鎖相環(huán)原理

頻率發(fā)生器在發(fā)射機(jī)中來(lái)源于鎖相環(huán)，為了實(shí)現(xiàn)較好的性能，需要對(duì)相位噪聲進(jìn)行控制。頻率發(fā)生器的原理圖如4，其晶振和環(huán)路濾波器均會(huì)影響性能，通過(guò)良好的設(shè)計(jì)和調(diào)諧來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)控制，可以選擇以200KHz作為步進(jìn)調(diào)節(jié)。

同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)壯性，對(duì)頻率綜合器的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，出現(xiàn)失鎖時(shí)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(fā)射機(jī)中一個(gè)重要的器件，頻綜的選擇要考慮其頻率范圍要符合帶寬設(shè)計(jì)要求；其次其相位噪聲性能要好；第三選擇集成度高，內(nèi)部集成了VCO、鑒相器的，容易對(duì)其控制。由于便攜式半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)探測(cè)器發(fā)射機(jī)對(duì)對(duì)頻率穩(wěn)定度要求不是很高，頻標(biāo)精度10PPM，這里采用溫補(bǔ)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(yōu)缺點(diǎn)。LC濾波器體積要大一些，但它的帶寬較寬，符合本設(shè)計(jì)要求；其最大的優(yōu)點(diǎn)是帶外抑制指標(biāo)高，尤其是諧波抑制度好，這正是本設(shè)計(jì)希望達(dá)到的。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可采用兩級(jí)的LC濾波器，進(jìn)一步提高諧波抑制度。此外LC濾波器便于今后優(yōu)化。聲表面濾波器的優(yōu)點(diǎn)是體積小、參數(shù)一致性好、矩形系數(shù)好，但諧波抑制性能比較差，功率級(jí)別不夠，不能承受1W以上的功率，因此不適合本設(shè)計(jì)的要求。

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

功放是發(fā)射機(jī)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(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)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(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)、便于生產(chǎn)。此外還要考慮功放器件PCB設(shè)計(jì)和加工工藝，因?yàn)楣Ψ攀巧崞骷崦娣e、功放到外殼熱阻的大小和功放的性能都有很大的關(guān)系。

耦合器要選擇方向性和隔離度指標(biāo)好的。在本設(shè)計(jì)中耦合器實(shí)現(xiàn)的功能一個(gè)是監(jiān)控輸出功率大小，另一個(gè)是為保護(hù)功放，檢測(cè)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(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)，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(jī)為頻率綜合器提供時(shí)鐘信號(hào)、使能信號(hào)和控制數(shù)據(jù)，方便進(jìn)行配置。

測(cè)試連接圖如下：

采用U8002A電源進(jìn)行供電，使用的頻譜儀為Agilent N9020A。

3.1 輸出功率測(cè)試結(jié)果

最小發(fā)射功率6.60dBm；

最大發(fā)射功率32.704dBm

3.2 輸出頻率測(cè)試結(jié)果

850MHz～1050MHz

3.3 諧波抑制度測(cè)試結(jié)果

二次諧波抑制度95dBm

三次諧波抑制度103dBm

3.4 功耗測(cè)試結(jié)果

a) 最大發(fā)射功率32.7dBm，PA開(kāi)啟時(shí)，電源電流表顯示1.4A。

b) 發(fā)射功率27dBm， PA開(kāi)啟時(shí)，電源電流表顯示0.62A

c) 發(fā)射功率30dBm，PA開(kāi)啟時(shí)，電源電流表顯示0.87A

從測(cè)試結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)發(fā)射頻率在850～1000MHz之間可調(diào)，頻率穩(wěn)定性好，頻譜純凈度較高。最大發(fā)射功率達(dá)到2W，并可以在20mW～2W之間可調(diào)。發(fā)射機(jī)的諧波抑制度好，功耗較低。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了便攜式半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)探測(cè)器系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)。通過(guò)一系列測(cè)試表明，該射頻發(fā)射機(jī)具有工作頻帶寬、諧波抑制度好、參數(shù)可調(diào)、功耗較小等優(yōu)異性能、同時(shí)該發(fā)射機(jī)有體積小和成本低等特點(diǎn)。應(yīng)用在通信領(lǐng)域，尤其是便攜式半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)探測(cè)器系統(tǒng)中有著極為廣泛的前景。

射頻電路設(shè)計(jì)-理論與應(yīng)用。王子宇，張肇儀，徐承和。電子工業(yè)出版社，2005