双通道微波密度湿度检测仪信号源设计

孙宏杰

摘 要：介绍了一种双通道微波密度湿度检测仪信号源的原理，详细阐述了稳幅控制的设计，并通过分析和实验说明了制造生产过程中的工艺要求。

关键词：双通道；信号源；稳幅；谐振腔

0 引言

烟支的密度和湿度分布是卷烟的一项重要指标，它直接影响烟支的重量、吸阻等指标，并进而影响抽吸过程的口感。对于卷烟企业来说，进一步优化烟支中烟丝的密度和湿度分布，不仅可以提高香烟在卷制过程中的质量水平，还有利于降低生产过程中的烟丝用量，因此如何更好地控制烟支的密度和湿度一直是烟厂最重视的问题。

目前，国内烟厂的超高速卷接机组都采用的双通道模式，重量控制系统的传感器为双通道微波密度湿度检测仪，其基本原理是在处理器的控制下，被测量的烟条通过圆柱形谐振腔时，因为每一段烟条的密度和湿度都不一样，使得电磁场的频率和幅值都发生改变，然后被检波电路测量出来，最后根据烟丝水分含量与电磁场参数变化之间的数学模型，得到每段烟条的密度和湿度，从而计算出重量并提供给重量控制系统，达到控制烟支重量的目的[1]。

双通道微波密度湿度检测仪主要包括控制电路和微波电路两个组成部分，控制电路部分设计采用DSP+CPLD的方案，即数字电路以大规模可编程器件为硬件平台，综合集成整机控制、地址译码、时序管理、数据处理等功能；微波电路部分信号源的设计采用DDS+PLL数字化设计方法，锁相环路由AD9852、VM950等器件组成，利用AD9852可高速切换频率控制字的特点，得到微波跳频信号，再经功分器产生双路微波调频信号，最后经放大稳幅处理，输出满足要求的微波信号。

1 信号源设计

传统的合成信号源设计是基于模拟分立元件的方法设计的。采用这种方法设计所需电路很多，体积比较大，调试复杂，可靠性差，相噪较高，控制的稳定性有所欠缺。由于本产品是双路输出，如果按传统的设计方法，還需要增加一套信号源电路。因此传统的设计方法无法满足本产品的设计要求。

双通道微波密度湿度检测仪采用基于DDS+PLL的合成信号源设计方案，并且特别地采用对单路合成信号源进行功分并只对其中一路信号源输出进行取样稳幅控制的方案。使用单路稳幅的双路输出信号源设计是本产品设计低功耗和提高可靠性的关键技术之一。这里值得注意的是，要使单路稳幅的双路输出信号源设计的方案达到设计要求，这就必须要求两个通道的圆柱形谐振腔特性要尽可能一致（如Q值、谐振频率等），实际加工腔体时使用加工中心一次装夹加工成型，对外形尺寸精度以及谐振腔内部光洁度有严格的要求[2]，完全可以保证达到设计要求。

基于单路稳幅的双路输出信号源设计的原理如图1所示。在硬件电路上主要由DDS控制、锁相环、稳幅控制、双通道信号源的功分实现及功率放大等电路构成。锁相环（PLL）是整个设计的关键，由输入参考时钟、低通滤波器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、分频器及直接数字合成（DDS）构成，它的好坏对整个电路的输出有着直接影响，其中鉴相器的作用是将直接数字合成的输出频率和参考频率进行鉴相，环路滤波器的作用是滤除相位固定的鉴相器输出信号的高频分量，然后去控制压控振荡器的输出，使其锁定在需要的频率上。本设计中，DDS选用的是ADI公司的AD9852，其内部包括两个12位的D/A转化器，14位可编程相位偏置寄存器，48位的可编程频率控制寄存器，系统的最高时钟范围可以达到300 MHz，DDS通过单片机PIC16F877控制其串行接口，并得到所需环路参考电压以及频率控制字；鉴相器选用Hittite公司（编者注：已被ADI收购）生产的一款数字鉴频鉴相器HMC439，其鉴频鉴相频率为10～1 300 MHz，具有超低的单边带调制相噪基底，由于是电压型输出，输出频带相当宽，所需的VCO要求有很宽的调谐范围（0～20 V），VCO选用的ZCOM公司的VM950，输出频率范围（4.9～6.5） GHz。

2 信号源的稳幅控制

影响信号源幅度变化的因素很多，包括负载、电源、环境等的变化，而信号源输出幅度的不稳定，又直接会使测量结果不准确，所以一般微波信号源都采用负反馈控制环路来稳幅。在稳幅电路的负反馈控制环路中，压控衰减器接收微波信号输入，经射频放大电路后，由耦合器或功分电路将其中的一部分功率分配给检波器，最后检波电压和参考电压经过求和积分运算，形成调节压控衰减器衰减量的控制电压，使信号输出功率恒定。

目前，双通道微波信号源的设计，多数采用的方法是两组独立的电路，其优点是两路信号完全独立，互相之间没有干扰，缺点是使用器件数量增加，降低了可靠性，同时两组器件参数的不一致也给两路信号带来差别，另外控制电路需要对两路信号分别控制，也加大了处理器的负担。

本设计采用单路信号通过功分器产生双路信号，把电调衰减器放置在功分器之前，同时通过对其中一个通道的输出采用耦合器取样的方式进行稳幅检波的稳幅控制电路，如图1所示。电调衰减器负责接收前级输出和经检波运算输出的两路信号，并将幅度调节到预置范围内；功分器采用表面贴装的小尺寸集成电路，负责将输入信号分为两路为输出信号；功率放大分为前级放大和中功率放大，其作用一是用于补偿前级的插入损耗，二是将输出信号的功率放大到系统所需的范围；低通滤波器采用7阶阶跃阻抗，在印制板上通过微带线绘制，用于滤除高频噪声；稳幅检波电路由定向耦合器和一对检波二极管组成，分别负责对输出信号和对地进行检波；积分求和运算的信号输入端分别连接检波器的耦合检波和对地检波的输出，并对两路信号进行积分求和，得到电调衰减器控制信号。为了保证输出信号的稳定，稳幅采样尽量的靠近了信号输出端，同时为了减小环境温度的变化对信号输出的影响，在电路中增加了温度补偿。此设计的优点是简化了电路，减轻了处理器的工作量，增加了系统的可靠性；缺点是两路信号之间的共用电路增多了，更加容易产生两者之间的干扰[3]。

单路稳幅原理框图如图2a所示，信号输入进入压控衰减器后再进行二功分，将单路信号变换为双路信号，然后各自进行功率放大，最后对其中一路进行耦合采样，经比例、积分运算后送入压控衰减器对输出信号进行功率调节，起到稳幅作用；双路稳幅原理框图如图2b所示，信号输入经二功分变换为双路信号，每路信号经压控衰减器后再进行功率放大，最后分别对输出信号进行耦合采样，经比例、积分运算后分别送入各自的压控衰减器进行功率调节，起到稳幅作用。

在开发过程中，为摸索单路稳幅和双路稳幅对系统稳定性的影响，给系统采用单路或双路稳幅设计提供依据，对具有单路和双路稳幅功能的两台实验机在同一高低温实验箱中，在不同的温度和湿度条件下进行稳定性测试，记录反映稳定性指标的AC和DC值。首先设置高低温环境实验箱温度40℃，湿度35%，等到温、湿度完全平衡，双通道微波密度检测仪实验机温湿度完全稳定并在此温湿度条件下運行3 h后，利用测试软件测量单、双稳幅双通道微波密度检测仪通道1和通道2的AC、DC数据，测试数据见表1，折线图见图3。

实验中设置的参考AC、DC值分别为192和361，从表1测试数据看出，只有在高低温环境实验箱的温湿度由40℃，0%变化到0℃，0%阶段，单稳微波密度检测仪通道2的DC较参考值变化较大，通过分析：单路稳幅微波密度检测仪耦合采样一路输出信号来同时稳定两路输出信号，需要两路信号使用的元器件参数及布线一致性较高。在后续的改进过程中，一是印制板的绘制，不仅要保证功分电路两个输出通道走线要严格的等长，而且为防止它们之间出现相互串扰，还需加屏蔽进行保护；二是两个通道的谐振腔特性要尽可能一致（如 Q值、谐振频率等），实际加工腔体时使用加工中心一次装夹加工成型，对外形尺寸精度以及谐振腔内部光洁度有严格的要求。

3 结语

该设计采用的信号源技术方案，大大减少了电路体积，降低成本的同时还提高了整机可靠性。其产品已在实际中经过长期使用，性能指标和可靠性完全满足客户需求。

参考文献：

[1] 林伟，杨健荣.一种双通道微波密度湿度检测仪的研制[J].电子质量，2015（12）：69-74.

[2] 张杰.微波密度传感器谐振腔的结构设计[J].现代制造工程，2009 （4）：108-110.

[3] 林伟，张红兵，等.一种双通道输出微波信号源稳幅控制装置[P].北京：国家知识产权局，2014.