第三章便攜式功率分析儀硬件設(shè)計(jì)

3.1微波功率測(cè)量原理

微波功率測(cè)量電路的連接方式一般分為終端式和通過式兩種。終端式接法是把待測(cè)的信號(hào)功率直接送入功率計(jì)。即以功率探頭為吸收負(fù)載，由它把吸收的微波功率轉(zhuǎn)換為可以指示的某種電信號(hào)，再由指示器給出待測(cè)功率值。這種方法適用于測(cè)量發(fā)射裝置或微波信號(hào)源的輸出功率。通過式接法是按已知比例從主傳輸線上耦合出部分功率來測(cè)量主傳輸線所接負(fù)載吸收的凈功率，或用來監(jiān)測(cè)主傳輸線上傳輸功率的情況。

功率方程是功率測(cè)量線路中正確分析待測(cè)功率值的基礎(chǔ)。將功率探頭接到待測(cè)功率源的輸出端T面，T面相當(dāng)于由一段特性阻抗Zo的無耗傳輸線相連接。當(dāng)源端和負(fù)載端阻抗都本等于Zo時(shí)，設(shè)T面上的源和負(fù)載的反射系數(shù)分別為Γg=(Zg -Zo)/(Zg +Zo)和ΓL=(ZL -Zo)/(Z L +Zo)。由此得出：(1)測(cè)量功率源輸出，實(shí)際上是要求測(cè)量功率源向無反射負(fù)載的輸出功率P o，只有當(dāng)終端式功率計(jì)的ΓL=0時(shí)，才能準(zhǔn)確測(cè)出P o。(不管|Γg|是否為零)。只有|Γg|也同時(shí)為零時(shí)，才能測(cè)出資用功率P A(因?yàn)椴豢赡芤蠊β侍筋^的反射系數(shù)與待測(cè)源反射系數(shù)共扼匹配)。可見，為提高功率測(cè)量精確度，要求終端式功率計(jì)的ΓL盡可能小，以減小失配不確定因子1/(1±|ΓgΓL|)2的作用。一般情況下，終端功率計(jì)指示的功率是P o，|Γg|和|ΓL|引入失配誤差。

功率計(jì)一般包括功率探頭和指示器兩部分。這兩部分根據(jù)靈敏度、精確度的不同，而使探頭的結(jié)構(gòu)和指示電路的繁簡(jiǎn)程度也不相同，種類繁多。

功率探頭的基本功能是把待測(cè)微波功率轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)的電信號(hào)，如檢波器輸出的直流信號(hào)，惠斯登電橋的失街電流、熱電偶的熱電壓等。其結(jié)構(gòu)隨可承受功率的大小及使用要求而不同。

功率指示器的基本功能是把可測(cè)電信號(hào)變換為可指示電信號(hào)，經(jīng)過定度，使其讀數(shù)直接表示微波功率值。它一般包括變換放大解調(diào)和表頭指示電路兩部分。

前者的功能是放大可測(cè)電信號(hào)，提高功率計(jì)靈敏度和指示精度;后者常用的是電工表頭或數(shù)字指示電路。最簡(jiǎn)單的功率指示電路也可以不用變換放大解調(diào)，而直接指示可測(cè)電信號(hào)。如常用的晶體檢波器，在連續(xù)波工作時(shí)，它輸出的可測(cè)電信號(hào)是直流電壓(或電流)、若這個(gè)電壓(或電流)足夠大，就可直接由數(shù)字電壓表或微安表頭指示。

3.1.1現(xiàn)代射頻脈沖功率測(cè)量方法

微波脈沖設(shè)備在現(xiàn)代電子設(shè)備及電子武器中占有重要地位。例如雷達(dá)、數(shù)字通信系統(tǒng)和電磁導(dǎo)彈、核武器的發(fā)射器等，都需測(cè)量其脈沖峰值功率。目前，人們正在研究將產(chǎn)生周期性或非周期性的大功率短脈沖電子設(shè)備，作為高功率微波武器。對(duì)這種高功率短脈沖微波信號(hào)，無論是研究它對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生的下擾，還是研究它對(duì)生命體產(chǎn)生的傷害作用，都要求研究其峰值功率的測(cè)量方法。特別是對(duì)極短脈沖峰值功率的測(cè)量，由于耦合元件過渡歷程的影響，使通過式擴(kuò)展功率法在測(cè)量上產(chǎn)生很大困難。因此，研究微波脈沖峰值功率的測(cè)量方法，也是近代微波測(cè)量的任務(wù)之一。

由功率的原始公式P=I 2 R，可以知道，功率就是單位時(shí)間內(nèi)，在電阻上產(chǎn)生的熱量。而脈沖峰值功率是指出現(xiàn)脈沖功率最大值的載波周期內(nèi)的平均功率，而脈沖功率是指在一個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)的平均功率。調(diào)制信號(hào)的平均功率P AV定義為，在許多個(gè)周期內(nèi)取平均的功率，其表達(dá)式為：

式中T 0——載波信號(hào)周期;

n——載波信號(hào)周期數(shù);

p(t)——功率瞬時(shí)值。

脈沖功率P p定義為，在一個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間τ內(nèi)取平均的功率，其表達(dá)式為：

式中，τ是脈沖寬度。

脈沖峰值功率P pp定義為脈沖調(diào)制峰值處的射頻平均功率，其表達(dá)式為：

式中，p V是調(diào)制脈沖在恒定負(fù)載電膽R兩端的峰值電壓。

顯然，對(duì)于理想的矩形脈沖，其峰值功率等于脈外功率。人們通常所述的脈沖功率，其調(diào)制波形均系指矩形調(diào)制脈沖。

依據(jù)以上理論，現(xiàn)代功率測(cè)量采用了多種方法。在射頻和微波段常采用以下幾種方法：

量熱計(jì)法：將電磁能量轉(zhuǎn)換成熱能來測(cè)量。負(fù)載吸收功率，使之轉(zhuǎn)換成熱能，從而量熱體溫度上升，檢測(cè)其溫差熱電勢(shì)，根據(jù)功率和熱電勢(shì)間的關(guān)系來確定被測(cè)功率。

測(cè)熱電阻法(測(cè)輻射熱器法)：利用某些對(duì)溫度敏感的電阻元件在吸收電磁能量后阻值變化的特性來測(cè)量功率。

微量熱計(jì)法：用測(cè)熱電阻元件作為量熱體，用量熱計(jì)法原理高準(zhǔn)確度確定測(cè)熱電阻座的有效功率，然后用測(cè)熱電阻座配以高準(zhǔn)確度的電橋來單獨(dú)測(cè)量功率。

熱電法：借助于熱電元件將電磁能量變?yōu)闊崮懿y(cè)量由于發(fā)熱所形成的熱電勢(shì)，熱電勢(shì)與熱電元件所耗散的射頻與微波功率成正比，以此來測(cè)定功率。這些使用熱效應(yīng)法的功率計(jì)因?yàn)槠涫軠囟扔绊懞艽?，所以結(jié)構(gòu)和測(cè)試技術(shù)復(fù)雜，對(duì)環(huán)境溫度和測(cè)試設(shè)備要求苛刻。

以上這些功率計(jì)是熱效應(yīng)功率計(jì)，諾加熱敏電阻、鎮(zhèn)流電阻和熱偶等熱效應(yīng)微波傳感器，它們的熱學(xué)時(shí)間常數(shù)較大。當(dāng)被測(cè)信號(hào)是周期性脈沖時(shí)，這些功率傳感器通常跟不上脈沖包絡(luò)的變化，因而不能顯示脈沖峰值功率。在穩(wěn)定狀態(tài)下，這種熱效應(yīng)功率計(jì)的讀數(shù)，只能表示該射頻脈沖在重復(fù)周期內(nèi)的平均功率，由此可見并不能滿足射頻微波方向的應(yīng)用。迄今，其響應(yīng)速度能真實(shí)地跟上脈沖調(diào)制，并用于峰值電平測(cè)量的功率傳感器，是晶體二極管(用于低功率測(cè)量)和真空二極管(用于高功率測(cè)量)。通常用于測(cè)量峰值脈沖功率的經(jīng)典方法主要是：平均功率法和峰值檢波功率測(cè)量法。[!--empirenews.page--]

然而平均功率法主要的缺點(diǎn)在于，平均功率法是利用響應(yīng)緩慢的功率傳感器測(cè)量射頻脈沖峰值功率的一種方法。該方法是測(cè)量重復(fù)脈沖的平均功率，并采用某種輔助方法來測(cè)量脈沖的占空系數(shù)。用連續(xù)波功率探頭按照一般連續(xù)波功率測(cè)量的方法進(jìn)行測(cè)量，得到平均功率測(cè)量結(jié)果后按照ASK調(diào)制的占空比進(jìn)行計(jì)算，得出發(fā)射信號(hào)的脈沖功率。

其中，PAV為平均功率測(cè)量結(jié)果，Q=1/τF是射頻脈沖的占空系數(shù)(工作周期)，—般為10-2～10-4。當(dāng)脈沖波形為非理想矩形脈沖時(shí)，必須對(duì)波形失真進(jìn)行修正，其峰值脈沖功率的表達(dá)式為：

式中，K是波形修正系數(shù)，其數(shù)值等于實(shí)際脈沖功率的最大電平(峰值功率電平)與具有同樣寬度和面積的等效矩形脈沖電平之比。K值經(jīng)常是加以估計(jì)的，理想矩形脈沖的K=1.平均功率法的優(yōu)點(diǎn)是，適應(yīng)于較寬的頻率范圍，具有較大的功率量程;缺點(diǎn)是不適用于可變占空系數(shù)的場(chǎng)合，必須精確測(cè)量脈沖參量以及測(cè)量的間較長(zhǎng)。而在實(shí)際應(yīng)用過程中這種方法得到的結(jié)果中難免帶有占空比測(cè)量和計(jì)算帶來的誤差，不能滿足射頻脈沖信號(hào)功率分析的要求。

所以通過分析，峰值檢波功率測(cè)量法由于是對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行檢波，然后根據(jù)用戶指定的觸發(fā)電平并延遲指定的時(shí)間在檢波包絡(luò)上進(jìn)行采樣得到測(cè)量結(jié)果，該方法測(cè)量可信度高，并且有測(cè)量效率高，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較低等特點(diǎn)，符合便攜式功率分析儀的設(shè)計(jì)理念。故在本課題設(shè)中被采納。

3.1.2功率測(cè)量方案

利用峰值檢波器可直按測(cè)量脈沖功率。這種方法是測(cè)量檢波器輸出端的信號(hào)電壓，該電壓與加到檢波器上的脈沖功率成比例。則我們只需要測(cè)得該時(shí)刻檢波器輸出電壓值，即可求出該點(diǎn)被測(cè)信號(hào)功率大小。

通常，采用真空二極管作峰值檢波器，其頻率范圍可達(dá)2～2.5GHz;晶體二極管(低勢(shì)壘肖特基二極管)用作峰值檢波器，頻率范圍可達(dá)18GHz.工作在平方律狀態(tài)的晶體二極管，其動(dòng)態(tài)范圍約為20 dB.對(duì)于線性區(qū)域工作的真空二極管，動(dòng)態(tài)范圍從零點(diǎn)幾瓦到200瓦，若采用外部分壓器，上限可提高到幾百千瓦，測(cè)量誤差為(10～15)%。在精確測(cè)量射頻功率時(shí)對(duì)檢波器溫度穩(wěn)定性要求很高。而且由于半導(dǎo)體的溫度特性影響，二極管檢波器的溫度穩(wěn)定性較差，不能適應(yīng)室外復(fù)雜外界條件下的測(cè)量需要。在低輸入功率下，二極管探測(cè)器處于限制動(dòng)態(tài)范圍(20到30dB)，漂移也比較大。當(dāng)系統(tǒng)需要檢測(cè)控制RF功率時(shí)，解調(diào)對(duì)數(shù)放大器是一個(gè)越來越受歡迎的選擇。

所以在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，采用對(duì)數(shù)放大器對(duì)功率調(diào)制信號(hào)進(jìn)行檢波。商業(yè)現(xiàn)有的對(duì)數(shù)放大器IC的優(yōu)點(diǎn)是，與二極管檢測(cè)器相比，動(dòng)態(tài)范圍提高4倍，溫度穩(wěn)定更好、更小。像二極管檢測(cè)器一樣，對(duì)數(shù)放大器基本上是電壓敏感器件，而不是功率敏感器件。

對(duì)數(shù)放大檢測(cè)器是由多級(jí)對(duì)數(shù)放大器構(gòu)成的，其電路框圖如圖3-1所示。圖中共有5個(gè)對(duì)數(shù)放大器(A～E)，每個(gè)對(duì)數(shù)放大器的增益為20dB(即電壓放大系數(shù)為10倍)，最大輸出電壓被限制為1V.因此，對(duì)數(shù)放大器的斜率k s =1V/20dB=50mV/dB.5個(gè)對(duì)數(shù)放大器的輸出電壓分別經(jīng)過檢波器送至求和器(∑)，再經(jīng)過低通濾波器獲得輸出電壓U o。對(duì)數(shù)放大器能對(duì)輸入交流信號(hào)的包絡(luò)進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算，其輸出電壓與b、PIN的關(guān)系式為：

上式中的b代表截距，即對(duì)應(yīng)于輸出電壓為零時(shí)的輸入功率電平值。對(duì)數(shù)放大器的特性曲線如下圖所示。由圖可見，對(duì)應(yīng)于±1dB的測(cè)量誤差，輸入功率電平的動(dòng)態(tài)范圍是-65dB～-5 dB.對(duì)數(shù)放大檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍寬，斜率恒定，并且溫度穩(wěn)定性好。

3.2功率測(cè)量部分方案設(shè)計(jì)

功率測(cè)量通道主要實(shí)現(xiàn)射頻脈沖峰值功率實(shí)時(shí)測(cè)量。功率測(cè)試的設(shè)計(jì)思路：衰減-檢波-放大-A/D采樣。

功率測(cè)量電路主要包括微波部件、峰值檢波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和FIFO存儲(chǔ)電路等。輸入信號(hào)通過控制信號(hào)切換到功率測(cè)量通道后，根據(jù)信號(hào)的范圍，控制選擇微波模塊中的衰減網(wǎng)絡(luò)的擋位，對(duì)信號(hào)進(jìn)行不同程度的衰減。衰減后的信號(hào)經(jīng)過檢波器檢波。如果輸入信號(hào)是連續(xù)波，則檢波后的信號(hào)為直流，可以直接將信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。當(dāng)輸入信號(hào)是脈沖調(diào)制信號(hào)，檢波后的信號(hào)是脈沖信號(hào)。為了得到信號(hào)的峰值功率，需要設(shè)置觸發(fā)電平，來捕獲信號(hào)的峰值。電路中采用了預(yù)觸發(fā)的原理選擇觸發(fā)電平。在得到信號(hào)的峰值后，通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。A/D采樣后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FIFO中。ARM單片機(jī)從FIFO中取回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到最終的功率值。