多频段遥测监护仪收发电路的设计
2019-03-02单月忠方超冯成彬
单月忠，方超，冯成彬
绍兴第二医院医学工程科 （浙江绍兴 312000）
随着现代医疗技术的快速发展，大型医疗设备对工作频段的性能要求越来越高，但是目前医院的无线噪声越来越大，医疗设备有可能长期工作于低性能的频段，对患者的监护存在巨大的隐患。遥测监护仪作为监护患者的重要医疗设备，其在工作频段的正常工作对患者的监护非常重要。
分析遥测监护仪目前的工作频率，发现为200～600 MHz，但随着通信技术的快速发展，频段资源越来越紧张，需要设计人员开发出一套具有宽频带、高性能、可调节配置的宽频带遥测监护仪。
遥测监护仪最重要的组成部分为收发电路，传统的收发电路采用超外差式电路构成无线收发机，但其电路结构复杂且主要由直插式芯片和简单电容电阻组成，并尝试通过调节阻值或容值以产生稳定的输出信号，由此调制和解调后的输出信号往往噪声较大，传输距离也较短，无法满足飞速发展的医疗设备要求。直接上变频和直接下变频技术具有低复杂性和高灵活性等特点，该技术能够极大地减小发射机和接收机自身所带来的噪声[1-3]。因此，我们采用直接上变频和直接下变频技术研究多频段遥测监护仪的收发电路。
1 整体设计框架及各模块设计
1.1 锁相倍频电路设计
锁相倍频器电路采用集成的锁相频率合成技术进行设计，其内部核心主要为锁相环，包含相位检测器、环路滤波器和压控振荡器[4]，工作基本原理见图1。
图1 锁相环基本原理
目前已具有锁相倍频器集成芯片。本设计采用ADF4351芯片进行设计，该芯片内部集成锁相环电路，且内部集成的压控振荡器具有低相位噪声特性，工作电压3.3 V，频率输出2.2～4.4 GHz，通过芯片内部可编程的集成分数和整数频率合成器，可输出35 MHz至4.4 GHz的宽频带频率源[5-6]。这些特性是实现多频段电路的理想选择。
所设计的输入输出电路见图2，ADF4351输入模拟心跳频率REFin为30.72 MHz，同时其接收3个控制信号DATA、CLK、LE改变输出频率，模拟心跳频率通过芯片后输出一对本振信号源LO_P、LO_N。
图2 输入输出电路
以输出915 MHz频率为例，在芯片输出管脚LO_P或LO_N进行模拟频率测试，得到输出信号频谱（图3）。输入的模拟心跳频率30.72 MHz，经过芯片后所得到的信号功率约为-5 dBm，具有高性能、高稳定性等特点，达到设计要求。
图3 输出915 MHz频率信号频谱
1.2 接收电路设计框架
基于直接下变频技术的优点，接收电路框架采用该技术进行设计，见图4。过程如下：首先，计算机通过数据指令控制单片机，将所需要的频率和衰减量通过指令传输给芯片内部寄存器，然后控制DDS模块输出30.72 MHz的模拟心跳频率，该模拟心跳频率通过锁相倍频后，将频率值输送给ADL5380下变频芯片，该频率值用于充当本振信号源，同时射频信号通过巴伦，以单端信号的形式输入，最终解调后的I、Q两路信号通过数字衰减芯片HMC624LP4和低噪放芯片BL051后，得到所需的基带信号。
图4 接收电路结构
搭建的接收电路见图5。LO_P、LO_N为输入的本振信号，RFIP、RFIN为输入的射频信号，OUT_I、OUT_Q为解调后的输出基带信号。
图5 ADL5380外围电路
1.3 发射电路设计框架
同样的，基于直接上变频技术的优点，发射电路框架采用该技术进行设计，见图6。过程如下：与接收电路类似，由锁相倍频芯片生成的频率值充当射频信号，该频率输入ADL5385上变频芯片，同时基带信号通过巴伦，以差分信号的形式输入，最终调制后的信号功率通过控制后输出。
图6 发射电路结构
搭建的发射电路见图7。LO_P、LO_N为输入的射频信号，IN_Q、IN_I为输入的基带信号， 为调制后的输出射频信号。
图7 ADL5385外围电路
1.4 功率控制电路设计
由于设计的电路是多频段收发电路，在ADF4351芯片输出差分信号频率后，首先应将其变为单端信号频率，然后再将其输入衰减器和低噪放电路，以实现对输出功率的可调。
数字衰减器采用HITTITE公司的HMC624LP4，其是一款GaAs单片微波集成芯片，工作频率为0～6 GHz，最大可衰减功率值可达31.5 dB，通过对其串行时钟、串行数据、使能的数据传输控制，即可得到所需输出频率的功率值，且在0～3 GHz工作时的插入损耗仅为1.8 dB，具有损耗小等特点，非常适合本电路的设计[7]。电路设计时HMC624LP4芯片6脚ATTIN是需要衰减的输入信号，13脚ATTOUT是衰减完成后所输出的信号，芯片内部输入和输出引脚的内部电阻也已匹配至50 Ω，减少了高频信号的衰减，外部信号只需经过直流耦合后，即可直接进入该芯片进行功率的衰减。低噪声放大器采用BeRex公司的BL051，该款芯片工作电压为5 V，可在5～4 400 MHz宽频带内工作，其在900 MHz和1.9 GHz频段工作时的增益分别有19 dB和14 dB，符合本设计的要求[8-9]。
芯片输出信号的外围匹配电路见图8。
图8 外围匹配电路
2 硬件电路设计及实现
PCB版图的绘制采用4层板进行设计，最终版图见图9。完成后，对电路板进行调试焊接，在焊接中，均采用SMT封装，有助于降低这些元件在高频信号下所产生的寄生电阻、电容、电感，提高输出信号频率的质量，同时为了减少数字部分与模拟部分电路的相互影响，对电源层和地层也进行了分段处理，调试焊接后得到的多频段收发电路板见图10。
3 性能测试
设计完成电路板后，进行性能测试。首先进行接收电路性能测试，以锁相倍频芯片输出915 MHz为例，设置数字衰减器衰减量为8 dB，模拟心跳频率由DDS模块产生，射频信号905 MHz由信号发生器产生，解调后信号输入频率仪进行观察，测得解调后的基带信号频谱（图11）。输出的基带信号10 MHz的功率达到-10 dBm左右，性能稳定，达到设计的要求。
图9 PCB版图
图10 电路板实物
图11 解调输出频谱
然后进行发射电路性能测试，同样以锁相倍频芯片输出915 MHz为例，基带信号10 MHz由信号发生器产生，调制后生成的发射信号频谱见图12。输出的射频信号功率达到0 dBm以上，性能稳定，达到预期设计要求。
图12 调制输出频谱
4 结论
我们介绍了利用ADF4351、ADL5380、ADL5385、HMC624LP4、BL051和DDS模块，采用直接上变频和直接下变频方法实现了多频段收发电路。文中给出了电路设计的搭建过程和相关芯片的外围电路，通过调试和性能优化，实现了一个结构简单、性能高效的收发电路板，该电路板通过调节频段和功率，能够改变通信距离和识别距离。本设计实现的多频段收发电路板，对今后多频段遥测监护仪的实现具有重要价值。
