多通道一体化变频器总体设计与研究

2014-11-07鲁纯韩周安

现代电子技术 2014年21期

鲁纯+韩周安

摘要：针对多通道变频器的特点，提出了详细的设计流程。按照设计流程，分别对该设备的结构总体设计和详细的模块设计进行了论述。设计的多通道变频器具有以下特点：结构上支持盲拔插，共用时钟模块和电源模块，也可以实现任意频段的上下变频组合，因此微波变频设备趋向于小型化、集成化、通用化的方向发展。

关键词：多通道变频器；微波变频器；总体设计；上下变频组合

中图分类号： TN91?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）21?0076?04

Overall design and research of multi?channel integration frequency converter

LU Chun， HAN Zhou?an

（Electronic Engineering School， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 610054， China）

Abstract： A detailed design flow is proposed according to the multi?channel frequency converter features. The overall structural design， modeling and detailed module design are discussed according to the proposed design flow. The designed converter has the features of random pull out and insert， common clock module and power module， any frequency band′s up and down convert combination. Therefore， the design can make microwave converter tend to miniaturization， integration and universalization.

Keywords： multi?channel converter； microwave converter； overall design； upper and lower frequency conversion combination

0 引言

微毫米波变频器广泛应用于微波通信、雷达系统、遥测遥感、导航系统、侦察和电子对抗等领域，是现在通信系统的核心部分[1]。随着现代通信技术的飞速发展，对变频设备提出了更高的要求，原来单一通道的变频设备已经不能满足通信行业发展的需要；有时一个系统需要多路变频通道才能满足需要，这就需要由多个变频设备组成，因此会造成整个系统体积庞大、功耗增加、使用的器件、材料也会大大增加，造成了资源的大量浪费，成本也大大的提高，设备太多太大也不利于用户在使用时移动、运输和以后的维护；正因为如此就迫切需要研制一种集成有多个通道的变频设备[2]，不仅体积小、功耗少，而且方便使用也便于日后维护。

基于此种思想设计了一种高可靠性的多通道一体化变频器。该变频器共用一个机箱，内部的变频模块共用一个电源，共用一个时钟模块，共用一个主控模块，并且每个变频模块相互独立，互不影响，可以单独工作和关闭；变频模块也支持盲拔插，可以随时取出或更换，因此大大减小了设备的体积，节约了成本，也方便了用户的使用和日后的维护。

1 设计流程

多通道一体化变频器的总体设计主要包括总体结构设计和各个部分的详细设计。图1为多通道一体化变频器在结构方面的设计流程。

图1 设计流程框图

2 设计创新

2.1 总体设计

（1）模块的划分

多通道一体化变频器由机箱和内部模块两部分组装而成。按照电路的设计要求，内部的功能模块设计成变频通道模块、主控板模块、电源模块、时钟模块、显示模块、键盘共六个独立的模块。

（2）模块的布局

根据模块之间的连线关系，把所有模块在机箱内进行布局设计，要考虑到模块之间的电磁兼容，避免模块之间的电磁干扰，力争模块的布局合理，便于安装和调试，也便于日后的维护。

图2为多通道通用变频器内部结构布局示意图。

图2 多通道通用变频器内部结构布局示意图

（3）模块及总体尺寸

根据电路的设计，综合考虑安装、拆卸、调试和维护的方便性、实用性、抗冲击强度、散热性能、电磁屏蔽、模块的高度和接插件的位置等因素，通过计算初步确定机箱的外形尺寸不大于500 mm（长）×390（宽）×140 mm（高），因此选用了常用的3U机箱，机箱深度确定为483 mm，宽度为380 mm，高度为134 mm。

2.2 详细模块设计

本机设计的是6路变频单元共用一个机箱，每个变频模块在结构上支持盲拔插，可以从机箱的前面板直接取出更换。多通道通用变频器的整机结构主要分为六个部分：前面板设计、后面板设计、变频通道模块设计、晶振模块设计、电源模块设计和控制模块设计。

（1）机箱的前面板设计

前面板主要有VFD显示屏和键盘，用以显示及控制操作，电源开关用来控制断电上电，另外变频模块可以从前面板取出和放入，因此设计时就要把六个通道在前面板的所需尺寸设计出来，根据通道在前面板的尺寸、VFD显示屏尺寸和键盘的尺寸设计前面板的布局，其布局结构如图3所示。

（2）机箱的后面板设计

后面板作为射频和中频的输入、输出端，其端口的转接头采用常用的SMA接头，通用性比较强；电源输入端口采用航空接插件，所有的进线全在根部有固定夹具，插针和插孔都是用质量很好的磷铜片做成的大面积接触的方式并有准确的定（对位）装置，插头和插座全有锁扣装置，可在剧烈的振动中确保不会脱离并接触可靠，外壳材质采用镁铝合金，坚固耐用；后面板上还有接地柱，保险管，RJ45网口，RS 485/232数据线串口和用于散热的风扇，保险管用来限制因电流过大而损坏设备，RJ45网口用来电脑实行远程控制而RS 485/232数据线串口用来上位机控制，根据内部的射频线布局、电源线、串口线和网口线的连接，再经过合理的布局，其后面板布局结构如图4所示。

（3）变频通道模块设计

变频模块在结构上支持盲拔插，因此在设计时采用滑轨技术[3]，在模块的底端专门设计了直线导轨，同时也设计了相应导轨的轨槽，轨槽固定在机箱的底板上，这样当变频模块插入机箱时，模块底端的滑轨就沿着对应的轨槽滑入机箱，就可以把变频模块正确地放入到机箱，但是为了保证变频模块后端的DB9接口和SMA接口能和机箱内部的转接板精确对接并且很好的固定，所以在变频模块的后端设置了定位销，用来精确定位和固定变频模块。在变频通道的前面板设计了螺钉安装孔，根据需要可以将变频模块固定安装在机箱内，也可以在需要更换时将螺钉去掉更换模块，这样既保证了变频模块的任意取出、放入和更换，也保证了设备的抗震抗冲击性能。

变频模块的前面板设有电源开关、射频检测端口、中频检测端口；电源开关可以单独控制模块的供电和断电，增加了模块的独立使用性能，当需要使用某一变频模块时可以打开电源，其他变频模块的电源是关断的（当需要时再打开其电源），这样可以大大降低设备的功耗，节约了能源，增加了设备的通用性，也增加了设备的使用寿命；射频检测端口用来检测外部输入的射频信号是否正确，而中频检测端口用来检测变频后输出的中频信号是否是需要的中频信号。变频模块的后端设有射频输入端口、中频输出端口、参考输入端口和RS 485/232数据线串口；射频输入端口用来连接外部的输入信号，中频输出端口是输出经变频后所需要的中频信号，参考输入端口用连接时钟模块的输出信号，RS 485/232数据线串口用来连接主控板，对变频模块实行本控或远控。因为变频模块内部有本振模块和自检信号源模块，所以内部本振模块和自检信号源采用单独的腔体式结构，可以起到良好的屏蔽与隔离作用[4]，防止相互之间的干扰。

（4）时钟模块设计

时钟模块用来给各个通道模块中的本振模块和自检信号源模块提供基准信号。时钟模块的信号是由内部的恒温晶体振荡器提供高稳定度和高精确度的时钟信号，然后再经过时钟模块内部的功分电路，将时钟信号分成六路等相位、等增益的时钟信号，然后输出给本振信号作为基准信号。

（5）电源模块设计

电源模块是将220 V的交流电转化为所需要的+12 V供电，本设备所有需要供电的模块，都共用一个电源供电，当所有通道都工作时，电源输出的电流比较大，这就会造成电源负荷很大，发热严重，因此要做好散热工作；为了保证设备供电的稳定性该电源模块采用热备份，备份一个额外的电源，当一个电源出现问题不工作时，另一个电源会迅速进入工作模式，保证设备的正常运作；电源是采用外购的电源模块，因此要求厂家设计和生产的电源模块必须有很低的电源纹波[5]，这样才能保证在调试电路时不会因为电源自身的纹波过大[6]，而给电路带来很大的不确定性影响，另外电源设计的额定电流应该留足够的的余量，防止因为调试电路时需要添加一些有源电路而导致电流增大。

（6）控制模块设计

控制模块主要是用来控制通道的衰减、增益、通道的识别、选择和本振模块等，本设备的控制模块分为两部分：一部分是中央控制模块（或称中央处理器），另一部分是通道内部的控制模块（内部主控板）[7]；上位机可以通过RJ45网口或DB9的串口来控制外部主控板，再通过外部主控板来控制通道模块，上位机也可以通过每个通道单独引出的DB9串口单独控制通道内部的主控板来单独控制通道模块。

3.3 系统控制设计

本系统主要是由六个变频模块和一个主控单元（包括显示屏和键盘）构成，其中变频模块内部也有一个独立的主控电路（也能对本通道进行单独控制）。系统的控制方式分为两种：本地控制和遥控。本地控制是根据需要通过键盘来设置参数，向主控板发送命令，控制需要控制的通道；遥控方式分为两种：

（1）主控单元接收上位机的遥控命令，控制相应的变频模块。

（2）各个变频模块可单独接收上位机的遥控命令，来进行控制该通道。

系统控制框图如图5所示。

4 系统可靠性设计

在总体设计上，主要采取以下几个方面提高整机系统的可靠性：

（1）设备内部采用模块化设计，每个模块都是独立的单元，可以单独拆卸和安装，这样设计便于日后的维护；模块与模块之间的连接都采用50 Ω的刚性电缆连接，模块的控制接口和电源接口都采用带锁扣的接插件，这样设计可以防止因为振动试验或运输过程中的猛烈冲击而造成的接口松动或接触不良给设备的使用造成不稳定。

（2）模块内部的电路使用的元器件都采用高品质的元器件，器件的安装采用表贴工艺技术，集成度高，功耗也低，可以提高模块的稳定性和可靠性。

（3）在电路设计上，采用经过实践验证的、比较成熟的电路，保证模块在电路上不存在问题，在进行电路板设计时要充分考虑电磁兼容性问题[8]，保证设备本身尽量不受电磁干扰，同时也尽可能地减少该设备对外界其他设备的电磁干扰；模块采用金属外壳屏蔽接地[9]，内部电路采用高低频分离，高频电路采用屏蔽盒屏蔽，在电源的输入端和输出端都要加滤波，来滤除电源纹波到来的干扰。

（4）电源采用浪涌保护电路，防止因雷击给设备造成损坏。

5 结语

本文详细地阐述了多通道一体化变频器的总体设计方案，通过该设计方案，可以看到多通道变频器在应用方面的实用性，每个通道模块都是独立的变频模块，可以根据需要开启使用或关闭，并且互不影响，因此不用的变频模块关闭电源，不仅大大节约了电力资源也提高了设备的使用寿命；多个变频通道共用一个机箱、一个时钟模块、一个电源模块和一个控制模块，这样原来要用多个机箱、多个电源模块、时钟模块和控制模块的设备现在集成到了一个机箱，因此大大缩小了机箱的体积，也大大节约了成本；每个变频模块支持盲拔插，可以根据需要随时更换变频模块，并且适合任意频段的上下变频组合，增加了设备的通用性和实用性，也便于日后的维护。多通道变频设备使微波变频设备走向了小型化、集成化和通用化[10]，设备的可靠性高并且日后的维修也很方便，因此多通道一体化变频器具有很好的发展前景。

参考文献

[1] 王培章，邵尉，余同彬.S波段上下变频器的设计[J].微波学报，2012（S2）：47?49.

[2] 郑志宽，何强，薛东方，等.基于数字下变频器件的雷达多通道中频接收机[J].探测与控制学报，2013（12）：23?27.

[3] 张雷，冯蕴雯，薛小峰，等.直滑轨式襟翼运动机构可靠性分析[J].机械科学与技术，2012（7）：67?69.

[4] 宋里瑾，海森，宋小勇.基于ADS的多通道下变频器仿真设计[J].遥测遥控，2011（2）：110?113.

[5] 程惠，任勇峰，王强.电源纹波的测量及抑制[J].电源技术，2012（12）：1899?1900.

[6] 姚晓平.电源纹波的产生、测量和抑制[J].电源世界，2009（11）：40?43.

[7] 陈志雷.PCI多通道采集与数字下变频模块设计[D].成都：电子科技大学，2013.

[8] 赵家升，杨显清，杨德强.电磁兼容原理与技术[M].北京：电子工业出版社，2012.

[9] 陈炜烽，刘伟莲，周香.电磁兼容及其测试技术[J].电子测量技术，2008（1）：101?104.

[10] 李佩，陈兴国，朱华顺.一种雷达微波接收机电路的集成化设计与实现[J].微电子学，2005（4）：441?444.

（4）电源采用浪涌保护电路，防止因雷击给设备造成损坏。