单月忠，刘太君，叶焱，刘明伟

（宁波大学通信技术研究所，浙江 宁波 315211）

1 引言

长期以来，超外差式电路结构主宰着无线发射机。超外差式体系结构能够在中频滤除宽带噪声、镜像和杂散分量[1]，但是超外差技术最主要的问题涉及到镜像抑制，且需要多次滤波和混频，不便于集成、功耗大[2]。随着通信技术的发展，电子系统和电子设备对RFID技术在低频段、单频点、近距离识别方面越来越难以满足需求[3]。由于目前RFID技术使用频段主要以低频的135kHz及13.56MHz为主，这2个频段输出功率小且传输距离较短（5～70cm），RFID阅读器也只能识别一个标签[4-5]。

直接上变频技术能够将基带信号直接搬移到射频载频。其具有低复杂性、低成本、高灵活性等优点，且不需要中频放大、滤波、变频等电路，从而极大地减小了发射机的体积、重量和功耗[6-7]。

因此，考虑到国内外对RFID阅读器在915MHz与2.45GHz频段研究不多，本文提出了基于ADL5385芯片，利用上位机软件，采用直接上变频技术来解决上述存在的问题。

2 整体设计框架

本系统采用直接上变频技术来实现，整体电路结构如图1所示：

图1 整体电路结构框图

具体过程是：首先上位机发送数据指令给单片机，来选择发射的频段和射频输出衰减量；然后由单片机控制AD9850 DDS模块输出30.72MHz的基准频率来作为ADF4351的参考时钟频率；接着该频率进入ADF4351的锁相环和倍频器后差分输出，该差分信号源充当本振信号源输入ADL5385上变频芯片，同时基带信号经过巴伦后变成的差分信号也输入ADL5385上变频芯片；最终上变频后的信号通过单片机控制的数字衰减芯片HMC624LP4和低噪放芯片BL051后，得到所需功率大小的射频信号，经SMA接头输出。其中，ADF4351、HMC624LP4的数据传输线和串行时钟线共用，它们各自的SPI数据均由单片机STC12C5A60S2提供。

对于ADF4351 环路滤波器配置参数，运用ADIsimPLL软件进行仿真和设计。通过对锁相环硬件电路的调试和编写相关单片机控制程序，实现一个高性能的本振信号源。

3 本振信号源的设计及实现

本振信号源需要有低相位噪声和高无杂散动态范围，本设计采用ADF4351锁相倍频芯片来产生本振信号源。

3.1 输入输出外围电路

如图2所示，ADF4351基准输入频率REFin为30.72MHz，同时接收单片机输出的数据传输线DATA、串行时钟线CLK、使能控制线LE，通过ADF4351的锁相和倍频后输出一对差分本振信号源。

图2 输入输出外围电路

3.2 环路滤波器仿真设计

本设计采用的是一个三阶RC滤波器。ADI公司提供的锁相环电路配套设计软件ADIsimPLL 3.0中已经包括了16种环路滤波器结构（其中还包含高阶的有源滤波器），通过这个软件可以很方便地设计环路滤波器的参数值，并能通过修改环路带宽、相位裕量、零极点值等来修改各参数值。

环路滤波器是一个低通滤波器，用来滤除高频杂散信号。本设计的环路带宽为20kHz，环路滤波器的具体参数可以通过ADIsimPLL仿真软件设计。经过优化后的环路滤波器的仿真图如图3所示。

3.3 本振信号源输出频谱

图3 优化后的环路滤波器

以输出915MHz频率为例，输出采用安捷伦频谱仪测试频谱，中心频率设为915MHz，扫频宽度（SPAN）设为40MHz。ADF4351输出频谱如图4所示。基准频率为30.72MHz，经过ADF4351锁相倍频输出的本振信号源功率超过-5dBm，且具有无杂散动态范围高、频率稳定的特点，达到设计要求。

图4 本振信号源输出频谱

4 直接上变频设计

直接上变频芯片采用ADL5385来完成，本振信号源由ADF4351提供，基带信号由安捷伦信号发生器产生的10MHz的频率提供。其外围电路如图5所示：

图5 ADL5385外围电路

ADF4351产生的一对差分信号LO_P、LO_N，与信号发生器产生10MHz的基带信号通过巴伦由单端信号变成差分信号的IN_Q、IN_I，同时输入到ADL5385芯片，经过直接上变频后，通过100nF的电容输出已调制的射频信号 。其中，基带信号IN_Q、IN_I通过的巴伦需要在中间抽头加上0.5V的直流电压。

5 数字衰减器和低噪放部分的设计

数字衰减器和低噪放匹配电路设计如图6所示：

图6 数字衰减器和低噪放匹配电路设计

数字衰减器采用HMC624LP4芯片，该芯片衰减范围能够从0dB到31.5dB；低噪放采用BL051芯片，该芯片在900MHz到3.5GHz的频段范围内有14dB左右的放大能力。ADL5385直接上变频后输出的射频信号，经过数字衰减器和低噪放，完全能够满足控制输出信号的功率。单片机控制数字衰减器芯片采用SPI数据传输的方式，跟ADF4351共用数据传输线和串行时钟线，但是分别各自采用使能控制线。调制好的射频信号输入HMC624LP4数字衰减器芯片，经过匹配后输入到BL051低噪放芯片，最后匹配后输出。

6 上位机界面及硬件电路实现

6.1 上位机软件界面

上位机软件界面采用Microsoft Visual Studio 2008进行编写，并选择频段控件和衰减量控件来完成对其软件界面的设计。当需要选择发射本振信号频率时，只需在上位机软件界面的频段控件中选择发射本振信号源的频率为915MHz或2.45GHz，即可实现发射频段的控制；当需要使数字衰减器衰减发射信号的功率时，只需在上位机软件界面的衰减量控件中输入所需衰减量的值，即可完成对发射信号的功率控制。

6.2 硬件电路设计及实现

PCB 版图的设计是利用Cadence 公司的软件OrCAD Capture CIS和PCB Editor，所画电路板为4层。其中，数字地和模拟地进行了分割处理，目的是为了减小数字部分电路和模拟部分电路的相互影响，使电路板性能提高，数字地和模拟地最终都通过0欧姆电阻进行相互连接。电源部分由于ADF4351和数字衰减器HMC624LP4芯片供电为3.3V，而上变频芯片ADL5385和低噪放芯片BL051供电为5V，同时为了减少模拟部分频率源的输出电路和数字部分单片机的控制电路之间的相互影响，也进行了电源分割的处理。考虑到降低边缘辐射的效应，采用20H原则，即电源层边缘比地层边缘缩进20倍的层与层间距。

焊接调试完成后的电路板实物如图7所示。该电路板结构主要分为电源、DDS模块、单片机、上位机和发射电路这5部分。其中，外接输入电压为9V，经过电压转换模块后输出电压为5V，5V电压经过LT1085电压转换芯片后输出为3.3V，符合电路板正常工作所需的电压和电流。

图7 电路板实物图

7 性能测试

以915MHz频率为例，设置数字衰减器衰减量为8dB，本振信号源由AD9850 DDS模块产生30.72MHz的频率经过锁相倍频后得到，本振信号源的频段由上位机软件来控制选择。基带信号10MHz由安捷伦信号发生器产生，输出采用安捷伦频谱仪测试频谱，中心频率设为915MHz，扫频宽度（SPAN）设为30MHz。直接上变频后测试的输出射频信号频谱如图8所示。输出的射频信号905MHz和925MHz的功率达到0dBm以上，且输出射频信号的频点性能稳定。

图8 直接上变频后输出频谱

8 结束语

本文结合ADF4351、ADL5385、HMC624LP4、BL051和STC12C5A60S2芯片以及AD9850 DDS模块，通过上位机软件控制，实现了多频段可调直接上变频发射电路，并给出了上位机软件控制界面和直接上变频的电路设计及其实现过程。以915MHz直接上变频的设计过程和实现方法为例，给出了外围电路及频率合成器、环路滤波器的设计中的关键参数。通过对硬件电路的调试和性能优化，实现了一个结构简单的直接上变频发射电路，解决了RFID在射频段输出功率小、频段不可调的难点，从而提高了发射电路在射频段输出的功率，并增加了RFID在射频段的识别和通信距离。

[1] 马国胜,杨鹭怡. ADF4350低相噪频率合成器在射频无线通信设备中的应用[J]. 国外电子测量技术, 2009,28(4): 65-69.

[2] 舒琳. RFID跳频系统设计[J]. 科学技术与工程, 2007(16): 4160-4162.

[3] 唐伟杰,王森章. ADF4107在射频电路中的应用[J]. 微处理机, 2008(3): 16-18.

[4] Jianming Zhang, Zeming Xie, Shengli Lai, et al. A Design of RF Receiving Circuit of RFID Reader[C]. International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology Proceedings, 2004: 406-409.

[5] Ang K S, Leong Y C, Lee C H. Analysis and Design of Miniaturized Lumped-Disributed Impedance-Transforming Baluns[J]. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, 2003: 1190-1195.

[6] 黄智伟. 射频小信号放大器电路设计[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2008.

[7] 张有志,张颖,夏凤仙,等. 巴伦在RFID系统中的应用研究[J]. 信息技术, 2010,13(7): 9-12.