便携式半导体结点探测器发射机的设计与实现

2014-11-15范蓓

电子测试 2014年15期

范蓓

（公安部第一研究所,北京,100048）

0 引言

半导体结点探测器是基于非线性结点的谐波再辐射特性，通过发射基波信号，接收来自目标再辐射的二次、三次谐波信号，并对目标进行探测识别的便携式半导体结点探测器系统。由于自然界许多物体比如土壤、水流、树木并不产生谐波，因此半导体结点探测器具有杂波抑制能力和抗干扰能力强等特点。本文正是基于这一点，开发出一款工作在850～1000MHz频段的射频发射机，为满足便携式半导体结点探测器的需求，该发射机的发射功率应该达到一定量级，保证接收机能够接收到目标再辐射的谐波，并且谐波抑制度要好，以免接收机接收到的谐波是发射机本振的二三次谐波，而不是目标物再辐射的谐波。

与常见的射频发射机相比，本文设计的发射机具有带宽大、发射功率可调、谐波抑制度好、体积小、成本低等优势。

1 技术方案和实现原理

这部分通过对半导体结点探测器的原理和关键性能指标进行分析，指出决定其性能的关键指标。提出发射机的方案和原理，并对方案采用的关键技术以及实现原理进行解释。

1.1 系统原理和关键性能指标

一个半导体结点探测器系统可以包括若干个单元：发射机、接收机、控制部分、电源和天线模块。发射机产生射频信号并由发射天线辐射给检测目标，是便携式半导体结点探测器的激励源。接收机经由接收天线收集被检测目标的高次谐波，并经过检测处理作为检测依据。控制部分负责检测流程和人机界面的处理，而电源为各个模块提供电源。

根据便携式半导体结点探测器方程:

可以看出一个便携式半导体结点探测器的关键性能指标包括两点：发射功率和接收灵敏度。发射功率水平决定了目标的谐波水平，接收机灵敏度决定了便携式半导体结点探测器获取微弱信号的能力。然而发射功率过大也可能带来安全和健康的风险，需要控制在一定范围内，并且最好能根据不同场景可以选择不同的功率。

同时，在实际应用场景中，因为空间电磁环境非常复杂，许多民用通信的信号将对接收机分析谐波形成干扰，从而降低系统的灵敏度。例如手机通信频段(2G/3G)和WLAN频段，都将抬高空间电磁噪声的水平。

再者，发射机PA本身存在失真，其产生的高次谐波如果泄漏到接收机，也将增加便携式半导体结点探测器系统的虚警概率。

因此规避存在干扰的频段，提高发射机PA的线性度和降低泄漏干扰可以有效提高系统的性能。

为了实现高性能的便携式半导体结点探测器，本文设计的发射机应实现以下指标：

①最大输出功率2W，输出功率20mW～2W可以调节。以适应不同的探测场景。

②输出频率范围850MHz～1000MHz，宽频率范围和自适应的频点选择可以有效规避空间电磁干扰。

③谐波抑制度好

④功耗低

1.2 发设计方案及框图

图1 发射机原理框图

发射机是便携式半导体结点探测器信号产生和发射单元，其主要性能要求包括输出信号的频率、功率和谐波抑制等。在发射机内部包括了若干个射频处理单元。VCO压控振荡器和锁相环路配合，产生一个固定频率的信号。然后对产生的信号进行滤波，主要滤除高次谐波。接着经过一个数字控制的衰减器，可以使得功率按照一定幅度调整，以适用于不同的场景。该信号经衰减和滤波后，由放大器和PA进行信号放大后输出。为了实现输出功率可调可控，衰减和自动功率控制均采用数字控制方式。

PA的输出端加上了一个功率检测和驻波检测，以防止外边接触不良引起PA的损坏，以及PA长期工作导致的性能下降，保证发射机有稳定的功率输出，并在天线口故障的情况下提供告警和保护射频器件，避免烧毁PA器件，提高设备稳定性。

1.3 关键技术和实现原理

为了提高便携式半导体结点探测器系统性能和解决实际应用场景中的问题，发射机采用了一些新的射频设计技术。主要包括：

①高效率高线性功放设计

②发射机自动功率控制设计

③探测信号宽频率范围设计

1.3.1 高效率高线性功放设计

PA设计一直是射频领域的难点，因为它综合了射频中的多个参数：最大输出功率，非线性失真，匹配，稳定性，效率和增益等。目前同类便携式半导体结点探测器产品采用的PA器件多数已停产或即将淘汰，采用新型的PA芯片可以有效提高效率和稳定性。并通过合适的匹配设计，以达到高效率和高线性的平衡。

同时PA输出驻波一般比较差，如果天馈部分驻波匹配不好的话很容易出现反射功率过大而导致功放烧毁的现象。根据实际情况可以加入驻波检测单元，当天线口驻波过大时提供告警功能，并主动降低发射功率，以避免设备烧毁。

图2 驻波检测原理

1.3.2 发射机自动功率控制设计

输出功率的控制原理APC(auto power control) 如图3所示，当检测到输出功率过高时，通过反馈，实现输出功率的稳定和可调。同时为了实现控制精度，采用数字控制方式，可以更加灵活的按照一定步进进行特定输出功率设置。

图3 APC电路控制原理

目前市场功率探测器产品基本是单一发射功率，这种设计存在缺点。如果发射功率过低，检测范围必然小，加上灵敏度范围不高，难以实现有效探测；而片面加大发射功率，将影响电池使用时间，并且在一些特殊场合可能影响安全或健康（加油站、医院或人体辐射伤害）。通过对发射机的输出功率进行检测并控制，可以使便携式半导体结点探测器更灵活地使用在各个场景中。

1.3.3 探测信号宽频率范围设计

由于不同地区和国家的频率分配不同，为了实现基波、二次谐波和三次谐波不落入民用通信频段，需要采用宽频率范围设计。

包括目前国内CDMA频段、GSM频段、3G频段和WLAN频段等，如果谐波落入这些频段则很容易受到干扰，影响检测结果。尤其在接收机高灵敏度的时候，来自基站或者手机的信号很容易影响谐波信号的接收和处理。而最好的方式是规避这些频段。这样就需要一个能提供宽频率范围的发射机信号，目前采用850MHz～1000MHz，其二次谐波范围1700MHz～2000MHz，三次谐波2550MHz～3000MHz，可以比较容易地实现低背景噪声频点选择。

图4 锁相环原理

频率发生器在发射机中来源于锁相环，为了实现较好的性能，需要对相位噪声进行控制。频率发生器的原理图如4，其晶振和环路滤波器均会影响性能，通过良好的设计和调谐来实现，为了实现步进控制，可以选择以200KHz作为步进调节。

同时为了实现强壮性，对频率综合器的状态进行检测，出现失锁时告警。并为控制电路提供锁定指示和失锁告警接口。

2 器件选型

频率综合器是发射机中一个重要的器件，频综的选择要考虑其频率范围要符合带宽设计要求；其次其相位噪声性能要好；第三选择集成度高，内部集成了VCO、鉴相器的，容易对其控制。由于便携式半导体结点探测器发射机对对频率稳定度要求不是很高，频标精度10PPM，这里采用温补的TCXO就可满足。

在选择滤波器的类型方面，有两种，LC滤波器和声表面滤波器，它们各有优缺点。LC滤波器体积要大一些，但它的带宽较宽，符合本设计要求；其最大的优点是带外抑制指标高，尤其是谐波抑制度好，这正是本设计希望达到的。实际设计时可采用两级的LC滤波器，进一步提高谐波抑制度。此外LC滤波器便于今后优化。声表面滤波器的优点是体积小、参数一致性好、矩形系数好，但谐波抑制性能比较差，功率级别不够，不能承受1W以上的功率，因此不适合本设计的要求。

选用放大器要求频响要好，在宽频段内增益平坦度要好；增益高，用一级代替两级；线性度好，谐波低。

功放是发射机最重要的器件。功放的选择首先是效率要高；其次输出功率要满足设计要求，本设计要求输出功率2W；第三要考虑所选的器件是否广泛使用，匹配简单、便于实现、便于生产。此外还要考虑功放器件PCB设计和加工工艺，因为功放是散热器件，散热面积、功放到外壳热阻的大小和功放的性能都有很大的关系。

耦合器要选择方向性和隔离度指标好的。在本设计中耦合器实现的功能一个是监控输出功率大小，另一个是为保护功放，检测天线口驻波大小。此外该器件的插入损耗要小，耦合器放置在攻防输出到天线口之间，损耗越小越好，否则消耗能量。