【摘 要】通过分析目前广泛应用的RFID阅读器的性能，提出了一种可调多频段RFID阅读器发射电路的实现方法。首先利用ADF4351的锁相环和倍频器特性来产生宽频带频率源，对于锁相环电路，运用ADIsimPLL软件进行仿真；然后分析和探讨了ADL5385上变频的基本原理及工作特性，利用其特性同时借助于数字衰减器和低噪放芯片实现输出功率可调；最后通过对硬件电路的调试和编写相关上位机及单片机控制程序，实现了功率可调、多频段的RFID阅读器的发射电路。 

　　【关键词】多频段 上变频 数字衰减器 低噪放 功率可调 

　　[Abstract] Based on analysis of the performance of widely-used RFID reader at present， the transmitting circuit implementation method of a tunable multi-band RFID reader was presented in this paper. First， the phase-locked loop and frequency multiplier in ADF4351 are used to generate wideband frequency source， and ADIsimPLL software is used to simulate the phase-locked loop circuit. Then， the basic principle and working feature of up-conversion of ADL5385 are analyzed and discussed； in the meantime， the output power is adjustable by means of a digital attenuator and low noise amplifier chip. Finally， through hardware circuit debugging and preparation of related PC and MCU control programs， the transmitting circuit of the power-adjustable and multi-band RFID reader is implemented. 

　　[Key words]multiband up-conversion digital attenuator low noise amplifier power-adjustable 

　　1 引言 

　　长期以来，超外差式电路结构主宰着无线发射机。核心期刊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： 

　　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。 

　　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 

　　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。 

　　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： 

　　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： 

　　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。