第三章便攜式功率分析儀硬件設計

3.1微波功率測量原理

微波功率測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的信號功率直接送入功率計。即以功率探頭為吸收負載，由它把吸收的微波功率轉(zhuǎn)換為可以指示的某種電信號，再由指示器給出待測功率值。這種方法適用于測量發(fā)射裝置或微波信號源的輸出功率。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量主傳輸線所接負載吸收的凈功率，或用來監(jiān)測主傳輸線上傳輸功率的情況。

功率方程是功率測量線路中正確分析待測功率值的基礎。將功率探頭接到待測功率源的輸出端T面，T面相當于由一段特性阻抗Zo的無耗傳輸線相連接。當源端和負載端阻抗都本等于Zo時，設T面上的源和負載的反射系數(shù)分別為Γg=(Zg -Zo)/(Zg +Zo)和ΓL=(ZL -Zo)/(Z L +Zo)。由此得出：(1)測量功率源輸出，實際上是要求測量功率源向無反射負載的輸出功率P o，只有當終端式功率計的ΓL=0時，才能準確測出P o。(不管|Γg|是否為零)。只有|Γg|也同時為零時，才能測出資用功率P A(因為不可能要求功率探頭的反射系數(shù)與待測源反射系數(shù)共扼匹配)?？梢?，為提高功率測量精確度，要求終端式功率計的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，終端功率計指示的功率是P o，|Γg|和|ΓL|引入失配誤差。

功率計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)和指示電路的繁簡程度也不相同，種類繁多。

功率探頭的基本功能是把待測微波功率轉(zhuǎn)換為可檢測的電信號，如檢波器輸出的直流信號，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電信號變換為可指示電信號，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電信號，提高功率計靈敏度和指示精度;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)，而直接指示可測電信號。如常用的晶體檢波器，在連續(xù)波工作時，它輸出的可測電信號是直流電壓(或電流)、若這個電壓(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)代射頻脈沖功率測量方法

微波脈沖設備在現(xiàn)代電子設備及電子武器中占有重要地位。例如雷達、數(shù)字通信系統(tǒng)和電磁導彈、核武器的發(fā)射器等，都需測量其脈沖峰值功率。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備，作為高功率微波武器。對這種高功率短脈沖微波信號，無論是研究它對電子設備產(chǎn)生的下擾，還是研究它對生命體產(chǎn)生的傷害作用，都要求研究其峰值功率的測量方法。特別是對極短脈沖峰值功率的測量，由于耦合元件過渡歷程的影響，使通過式擴展功率法在測量上產(chǎn)生很大困難。因此，研究微波脈沖峰值功率的測量方法，也是近代微波測量的任務之一。

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脈沖持續(xù)時間內(nèi)的平均功率。調(diào)制信號的平均功率P AV定義為，在許多個周期內(nèi)取平均的功率，其表達式為：

式中T 0——載波信號周期;

n——載波信號周期數(shù);

p(t)——功率瞬時值。

脈沖功率P p定義為，在一個脈沖持續(xù)時間τ內(nèi)取平均的功率，其表達式為：

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，其表達式為：

式中，p V是調(diào)制脈沖在恒定負載電膽R兩端的峰值電壓。

顯然，對于理想的矩形脈沖，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：

量熱計法：將電磁能量轉(zhuǎn)換成熱能來測量。負載吸收功率，使之轉(zhuǎn)換成熱能，從而量熱體溫度上升，檢測其溫差熱電勢，根據(jù)功率和熱電勢間的關系來確定被測功率。

測熱電阻法(測輻射熱器法)：利用某些對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量功率。

微量熱計法：用測熱電阻元件作為量熱體，用量熱計法原理高準確度確定測熱電阻座的有效功率，然后用測熱電阻座配以高準確度的電橋來單獨測量功率。

熱電法：借助于熱電元件將電磁能量變?yōu)闊崮懿y量由于發(fā)熱所形成的熱電勢，熱電勢與熱電元件所耗散的射頻與微波功率成正比，以此來測定功率。這些使用熱效應法的功率計因為其受溫度影響很大，所以結(jié)構(gòu)和測試技術(shù)復雜，對環(huán)境溫度和測試設備要求苛刻。

以上這些功率計是熱效應功率計，諾加熱敏電阻、鎮(zhèn)流電阻和熱偶等熱效應微波傳感器，它們的熱學時間常數(shù)較大。當被測信號是周期性脈沖時，這些功率傳感器通常跟不上脈沖包絡的變化，因而不能顯示脈沖峰值功率。在穩(wěn)定狀態(tài)下，這種熱效應功率計的讀數(shù)，只能表示該射頻脈沖在重復周期內(nèi)的平均功率，由此可見并不能滿足射頻微波方向的應用。迄今，其響應速度能真實地跟上脈沖調(diào)制，并用于峰值電平測量的功率傳感器，是晶體二極管(用于低功率測量)和真空二極管(用于高功率測量)。通常用于測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量法。[!--empirenews.page--]

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

其中，PAV為平均功率測量結(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。當脈沖波形為非理想矩形脈沖時，必須對波形失真進行修正，其峰值脈沖功率的表達式為：

式中，K是波形修正系數(shù)，其數(shù)值等于實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)常是加以估計的，理想矩形脈沖的K=1.平均功率法的優(yōu)點是，適應于較寬的頻率范圍，具有較大的功率量程;缺點是不適用于可變占空系數(shù)的場合，必須精確測量脈沖參量以及測量的間較長。而在實際應用過程中這種方法得到的結(jié)果中難免帶有占空比測量和計算帶來的誤差，不能滿足射頻脈沖信號功率分析的要求。

所以通過分析，峰值檢波功率測量法由于是對被測信號進行檢波，然后根據(jù)用戶指定的觸發(fā)電平并延遲指定的時間在檢波包絡上進行采樣得到測量結(jié)果，該方法測量可信度高，并且有測量效率高，對測量環(huán)境要求較低等特點，符合便攜式功率分析儀的設計理念。故在本課題設中被采納。

3.1.2功率測量方案

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

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

所以在實際設計過程中，采用對數(shù)放大器對功率調(diào)制信號進行檢波。商業(yè)現(xiàn)有的對數(shù)放大器IC的優(yōu)點是，與二極管檢測器相比，動態(tài)范圍提高4倍，溫度穩(wěn)定更好、更小。像二極管檢測器一樣，對數(shù)放大器基本上是電壓敏感器件，而不是功率敏感器件。

對數(shù)放大檢測器是由多級對數(shù)放大器構(gòu)成的，其電路框圖如圖3-1所示。圖中共有5個對數(shù)放大器(A～E)，每個對數(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，對數(shù)放大器的斜率k s =1V/20dB=50mV/dB.5個對數(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。對數(shù)放大器能對輸入交流信號的包絡進行對數(shù)運算，其輸出電壓與b、PIN的關系式為：

上式中的b代表截距，即對應于輸出電壓為零時的輸入功率電平值。對數(shù)放大器的特性曲線如下圖所示。由圖可見，對應于±1dB的測量誤差，輸入功率電平的動態(tài)范圍是-65dB～-5 dB.對數(shù)放大檢測法的優(yōu)點是動態(tài)范圍寬，斜率恒定，并且溫度穩(wěn)定性好。

3.2功率測量部分方案設計

功率測量通道主要實現(xiàn)射頻脈沖峰值功率實時測量。功率測試的設計思路：衰減-檢波-放大-A/D采樣。

功率測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存儲電路等。輸入信號通過控制信號切換到功率測量通道后，根據(jù)信號的范圍，控制選擇微波模塊中的衰減網(wǎng)絡的擋位，對信號進行不同程度的衰減。衰減后的信號經(jīng)過檢波器檢波。如果輸入信號是連續(xù)波，則檢波后的信號為直流，可以直接將信號送入A/D轉(zhuǎn)換器進行采樣。當輸入信號是脈沖調(diào)制信號，檢波后的信號是脈沖信號。為了得到信號的峰值功率，需要設置觸發(fā)電平，來捕獲信號的峰值。電路中采用了預觸發(fā)的原理選擇觸發(fā)電平。在得到信號的峰值后，通過A/D轉(zhuǎn)換器進行采樣。A/D采樣后的數(shù)據(jù)存儲在FIFO中。ARM單片機從FIFO中取回數(shù)據(jù)進行處理，得到最終的功率值。