基于ADL5385發射電路設計與實現*

單月忠，劉太君，葉焱，劉明偉

（寧波大學通信技術研究所，浙江 寧波 315211）

1 引言

長期以來，超外差式電路結構主宰著無線發射機。超外差式體系結構能夠在中頻濾除寬帶噪聲、鏡像和雜散分量[1]，但是超外差技術最主要的問題涉及到鏡像抑制，且需要多次濾波和混頻，不便于集成、功耗大[2]。隨著通信技術的發展，電子系統和電子設備對RFID技術在低頻段、單頻點、近距離識別方面越來越難以滿足需求[3]。由于目前RFID技術使用頻段主要以低頻的135kHz及13.56MHz為主，這2個頻段輸出功率小且傳輸距離較短（5～70cm），RFID閱讀器也只能識別一個標簽[4-5]。

直接上變頻技術能夠將基帶信號直接搬移到射頻載頻。其具有低復雜性、低成本、高靈活性等優點，且不需要中頻放大、濾波、變頻等電路，從而極大地減小了發射機的體積、重量和功耗[6-7]。

因此，考慮到國內外對RFID閱讀器在915MHz與2.45GHz頻段研究不多，本文提出了基于ADL5385芯片，利用上位機軟件，采用直接上變頻技術來解決上述存在的問題。

2 整體設計框架

本系統采用直接上變頻技術來實現，整體電路結構如圖1所示：

圖1 整體電路結構框圖

具體過程是：首先上位機發送數據指令給單片機，來選擇發射的頻段和射頻輸出衰減量；然后由單片機控制AD9850 DDS模塊輸出30.72MHz的基準頻率來作為ADF4351的參考時鐘頻率；接著該頻率進入ADF4351的鎖相環和倍頻器后差分輸出，該差分信號源充當本振信號源輸入ADL5385上變頻芯片，同時基帶信號經過巴倫后變成的差分信號也輸入ADL5385上變頻芯片；最終上變頻后的信號通過單片機控制的數字衰減芯片HMC624LP4和低噪放芯片BL051后，得到所需功率大小的射頻信號，經SMA接頭輸出。其中，ADF4351、HMC624LP4的數據傳輸線和串行時鐘線共用，它們各自的SPI數據均由單片機STC12C5A60S2提供。

對于ADF4351 環路濾波器配置參數，運用ADIsimPLL軟件進行仿真和設計。通過對鎖相環硬件電路的調試和編寫相關單片機控制程序，實現一個高性能的本振信號源。

3 本振信號源的設計及實現

本振信號源需要有低相位噪聲和高無雜散動態范圍，本設計采用ADF4351鎖相倍頻芯片來產生本振信號源。

3.1 輸入輸出外圍電路

如圖2所示，ADF4351基準輸入頻率REFin為30.72MHz，同時接收單片機輸出的數據傳輸線DATA、串行時鐘線CLK、使能控制線LE，通過ADF4351的鎖相和倍頻后輸出一對差分本振信號源。

圖2 輸入輸出外圍電路

3.2 環路濾波器仿真設計

本設計采用的是一個三階RC濾波器。ADI公司提供的鎖相環電路配套設計軟件ADIsimPLL 3.0中已經包括了16種環路濾波器結構（其中還包含高階的有源濾波器），通過這個軟件可以很方便地設計環路濾波器的參數值，并能通過修改環路帶寬、相位裕量、零極點值等來修改各參數值。

環路濾波器是一個低通濾波器，用來濾除高頻雜散信號。本設計的環路帶寬為20kHz，環路濾波器的具體參數可以通過ADIsimPLL仿真軟件設計。經過優化后的環路濾波器的仿真圖如圖3所示。

3.3 本振信號源輸出頻譜

圖3 優化后的環路濾波器

以輸出915MHz頻率為例，輸出采用安捷倫頻譜儀測試頻譜，中心頻率設為915MHz，掃頻寬度（SPAN）設為40MHz。ADF4351輸出頻譜如圖4所示?；鶞暑l率為30.72MHz，經過ADF4351鎖相倍頻輸出的本振信號源功率超過-5dBm，且具有無雜散動態范圍高、頻率穩定的特點，達到設計要求。

圖4 本振信號源輸出頻譜

4 直接上變頻設計

直接上變頻芯片采用ADL5385來完成，本振信號源由ADF4351提供，基帶信號由安捷倫信號發生器產生的10MHz的頻率提供。其外圍電路如圖5所示：

圖5 ADL5385外圍電路

ADF4351產生的一對差分信號LO_P、LO_N，與信號發生器產生10MHz的基帶信號通過巴倫由單端信號變成差分信號的IN_Q、IN_I，同時輸入到ADL5385芯片，經過直接上變頻后，通過100nF的電容輸出已調制的射頻信號 。其中，基帶信號IN_Q、IN_I通過的巴倫需要在中間抽頭加上0.5V的直流電壓。

5 數字衰減器和低噪放部分的設計

數字衰減器和低噪放匹配電路設計如圖6所示：

圖6 數字衰減器和低噪放匹配電路設計

數字衰減器采用HMC624LP4芯片，該芯片衰減范圍能夠從0dB到31.5dB；低噪放采用BL051芯片，該芯片在900MHz到3.5GHz的頻段范圍內有14dB左右的放大能力。ADL5385直接上變頻后輸出的射頻信號，經過數字衰減器和低噪放，完全能夠滿足控制輸出信號的功率。單片機控制數字衰減器芯片采用SPI數據傳輸的方式，跟ADF4351共用數據傳輸線和串行時鐘線，但是分別各自采用使能控制線。調制好的射頻信號輸入HMC624LP4數字衰減器芯片，經過匹配后輸入到BL051低噪放芯片，最后匹配后輸出。

6 上位機界面及硬件電路實現

6.1 上位機軟件界面

上位機軟件界面采用Microsoft Visual Studio 2008進行編寫，并選擇頻段控件和衰減量控件來完成對其軟件界面的設計。當需要選擇發射本振信號頻率時，只需在上位機軟件界面的頻段控件中選擇發射本振信號源的頻率為915MHz或2.45GHz，即可實現發射頻段的控制；當需要使數字衰減器衰減發射信號的功率時，只需在上位機軟件界面的衰減量控件中輸入所需衰減量的值，即可完成對發射信號的功率控制。

6.2 硬件電路設計及實現

PCB 版圖的設計是利用Cadence 公司的軟件OrCAD Capture CIS和PCB Editor，所畫電路板為4層。其中，數字地和模擬地進行了分割處理，目的是為了減小數字部分電路和模擬部分電路的相互影響，使電路板性能提高，數字地和模擬地最終都通過0歐姆電阻進行相互連接。電源部分由于ADF4351和數字衰減器HMC624LP4芯片供電為3.3V，而上變頻芯片ADL5385和低噪放芯片BL051供電為5V，同時為了減少模擬部分頻率源的輸出電路和數字部分單片機的控制電路之間的相互影響，也進行了電源分割的處理?？紤]到降低邊緣輻射的效應，采用20H原則，即電源層邊緣比地層邊緣縮進20倍的層與層間距。

焊接調試完成后的電路板實物如圖7所示。該電路板結構主要分為電源、DDS模塊、單片機、上位機和發射電路這5部分。其中，外接輸入電壓為9V，經過電壓轉換模塊后輸出電壓為5V，5V電壓經過LT1085電壓轉換芯片后輸出為3.3V，符合電路板正常工作所需的電壓和電流。

圖7 電路板實物圖

7 性能測試

以915MHz頻率為例，設置數字衰減器衰減量為8dB，本振信號源由AD9850 DDS模塊產生30.72MHz的頻率經過鎖相倍頻后得到，本振信號源的頻段由上位機軟件來控制選擇?；鶐盘?0MHz由安捷倫信號發生器產生，輸出采用安捷倫頻譜儀測試頻譜，中心頻率設為915MHz，掃頻寬度（SPAN）設為30MHz。直接上變頻后測試的輸出射頻信號頻譜如圖8所示。輸出的射頻信號905MHz和925MHz的功率達到0dBm以上，且輸出射頻信號的頻點性能穩定。

圖8 直接上變頻后輸出頻譜

8 結束語

本文結合ADF4351、ADL5385、HMC624LP4、BL051和STC12C5A60S2芯片以及AD9850 DDS模塊，通過上位機軟件控制，實現了多頻段可調直接上變頻發射電路，并給出了上位機軟件控制界面和直接上變頻的電路設計及其實現過程。以915MHz直接上變頻的設計過程和實現方法為例，給出了外圍電路及頻率合成器、環路濾波器的設計中的關鍵參數。通過對硬件電路的調試和性能優化，實現了一個結構簡單的直接上變頻發射電路，解決了RFID在射頻段輸出功率小、頻段不可調的難點，從而提高了發射電路在射頻段輸出的功率，并增加了RFID在射頻段的識別和通信距離。

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[3] 唐偉杰,王森章. ADF4107在射頻電路中的應用[J]. 微處理機, 2008(3): 16-18.

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