便攜式功率分析儀設計----硬件設計（二）

3.3系統硬件設計

功率分析儀硬件設計采用，兩段式設計，即主機以及探頭兩部分。探頭部分設計包括微波模塊，分頻模塊和功率檢波模塊(分頻模塊將在頻率測量設計部分加以介紹)。主機部分主要是：電源，數據采集模塊，FPGA以及ARM控制部分，同時(shí)液晶顯示屏和鍵盤(pán)等外部輸入設備也包含于其中。

3.3.1探頭部分設計

3.3.1.1微波模塊

微波模塊包括前端一路輸入，衰減器，功分器，后端的二路輸出和模塊控制信號輸入端。射頻脈沖信號通過(guò)射頻同軸連接器將射頻信號注入系統中，射頻同軸連接器采用SMA螺紋連接，阻抗50歐，和系統阻抗相匹配。后端兩路是經(jīng)過(guò)微波模塊處理的輸出，包括功率輸出和頻率輸出。模塊控制信號主要是微波模塊的電源控制和信號通道切換，衰減切換。

微波模塊的控制信號主要包括三類(lèi)：電源控制、開(kāi)關(guān)控制、衰減控制。電源實(shí)現內外電源的連接。主要包括+5v、-5v和地三部分。FPGA通過(guò)開(kāi)關(guān)控制信號控制微波模塊內部的選通開(kāi)關(guān)，切換頻率，功率。微波模塊內部的功分器用于將信號分成兩路相位相同、幅值相等的信號，送入功率輸出端和頻率輸出端。微波模塊的衰減網(wǎng)絡(luò )設計將下一節衰減電路中進(jìn)行詳細介紹。微波模塊的硬件框圖如圖3-3所示。

3.3.1.2衰減電路

為了擴大功率測量的范圍和測量的精讀，使用了衰減測量的方法。功率衰減是指對解調前的信號進(jìn)行衰減，可以擴大檢波器的檢波范圍，提高檢波精度。后端衰減是對進(jìn)行解調以后的信號進(jìn)行衰減控制，主要用來(lái)提高A/D轉換的范圍。

功率衰減是通過(guò)微波模塊內部的衰減網(wǎng)絡(luò )實(shí)現控制。功率衰減網(wǎng)絡(luò )是由精密衰減器和數字控制兩部分組成。衰減器部分由N組用精密電阻組成的Π型網(wǎng)絡(luò )，按照阻抗匹配的原則，用微型繼電器來(lái)切換，組成總衰減量為NdB，變化步長(cháng)為N dB的衰減器?；镜腜i型衰減器工作原理如下圖3-4所示：

L1是直通路徑，直接連接兩個(gè)單刀開(kāi)關(guān)，L2接有Π型固定衰減電阻網(wǎng)絡(luò )。假定L1的傳輸衰減為IL1，L2的傳輸衰減為IL2 + X dB，其中，X dB為Π形衰減網(wǎng)絡(luò )的衰減量。每一位的衰減量A tt可由公式(1)表示為：

采用硅薄膜電阻工藝的固定衰減器直接安裝在腔體上。該衰減器體積小、穩定性高、可承受較大功率，在射頻段仍能保持平坦的衰減特性。開(kāi)關(guān)由工作于導通與截止兩個(gè)穩定狀態(tài)的PIN二極管組成，受溫度影響較小;衰減電阻具有較好的溫度穩定性;Π型網(wǎng)絡(luò )本身具有自溫度補償作用，因此衰減器可在-55～85℃溫度范圍保持幾乎恒定的衰減，開(kāi)關(guān)-固定衰減器結構能夠保持良好的匹配。

根據檢波電路的最佳工作范圍，以及功率檢波芯片功率測量范圍，在功率測量中，對微波衰減網(wǎng)絡(luò )的衰減網(wǎng)絡(luò )選擇了0、20dBm的衰減控制。微波模塊內部的衰減網(wǎng)絡(luò )的衰減控制端連接FPGA.由ARM通過(guò)FPGA產(chǎn)生控制信號送至功率衰減器實(shí)現對輸入功率信號進(jìn)行0dB或20dB的衰減。

3.3.3射頻包絡(luò )檢波模塊

在本設計中對數檢波芯片的輸入阻抗為50，當被測設備不是標準信號發(fā)生設備時(shí)，為保證阻抗匹配，并且信號能準確的注入后級射頻檢波芯片輸入端。前端設計的功率衰減網(wǎng)絡(luò )在提供功率衰減的同時(shí)，同時(shí)提供與系統特性阻抗匹配的輸入輸出阻抗，通過(guò)調整接地的分流電阻阻值，保證衰減輸出阻抗為50，達到與對數檢波芯片的輸入阻抗相匹配的目的。

3.3.3.1峰值檢波電路

檢波器是射頻技術(shù)中的常規部件之一，在射頻信號檢測、自動(dòng)增益控制、功率檢測、穩幅的應用中是關(guān)鍵性部件。在許多場(chǎng)合，要求檢波器在寬頻帶內具有良好的駐波特性、功率平坦度、高靈敏度。

AD8318是基于半導體的單片檢測器，優(yōu)于傳統的產(chǎn)品，它比模塊解決方案有更高的性?xún)r(jià)比，比基于分立二極管的檢測器有更高的精確度，采用ADI公司的XFCB-3SiGe生產(chǎn)技術(shù)，能提供較快的速度、精確度和溫度穩定性。AD8318兼備高精度和寬動(dòng)態(tài)范圍的獨特結合，使其適用于許多種類(lèi)的無(wú)線(xiàn)通信基礎設備，包括GSM，CDMA和W-CDMA蜂窩基站以及WLAN802.11應用和點(diǎn)對點(diǎn)固定無(wú)線(xiàn)系統中，進(jìn)行接收信號強度指示和發(fā)射功率水平檢測。AD8318的基本特性如下：

(1)頻帶范圍寬：能夠精確測量1MHz~8GHz帶寬內RF信號的功率;

(2)動(dòng)態(tài)范圍大，精確度高：在5GHz時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)55dB，精確度優(yōu)于+1dB;在8GHz時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)58dB，精確度優(yōu)于+3dB;

(3)穩定性好：溫度漂移能調整到所需的頻段，從-40℃到85℃的穩定度優(yōu)于+0.5dB，完全能夠達到規定的技術(shù)指標;

(4)用電壓來(lái)表示輸入信息的大小;

(5)低噪音，輸入電源噪音1.15nV/ √Hz;

(6)+5V單電壓供電，最大電流僅為68mA，最小功耗僅為1.5mW;

(7)集成了一個(gè)片內溫度傳感器，它能夠提供2mV/℃輸出電壓用于額外的溫度補償和系統監控;

(8)提供8ns最快輸出響應，適合用于突發(fā)RF脈沖檢測;

(9)采用小外形的4mm*4mm，16腳引腳架構芯片級封裝。

AD8318的內部結構決定了它優(yōu)異的性能，除包含前文所述的雙平方單元外

如圖3-5所示。它有一個(gè)有9個(gè)放大單元組成級聯(lián)放大鏈，每一個(gè)放大單元都可實(shí)現8.7dB的電壓增益，它們來(lái)實(shí)現AD8318的對數功能。由于精確的偏置設計，在溫度超過(guò)額定值和輸入信號變化超出額定范圍的情況下，增益依然很穩定。信號從INHI端輸入，通過(guò)級聯(lián)的放大單元，由于每個(gè)放大單元的增益都是直流耦合的，信號通過(guò)每個(gè)放大單元時(shí)逐級被放大，因此最后的增益是非常大的。在每一個(gè)增益輸出端都有一個(gè)具有平方作用的檢波器對信號進(jìn)行整形，而且在A(yíng)D8318內部有一個(gè)補償反饋電路對信號進(jìn)行補償。通過(guò)一系列的措施使得輸出信號非常精確。因此從INHI輸入RF信號電壓通過(guò)放大后轉換成一個(gè)隨輸入信號幅度變化的差動(dòng)電流信號，此差動(dòng)電流信號的均值隨輸入的RF的電平不同而不同。電流波形經(jīng)整形并經(jīng)濾波后，經(jīng)過(guò)電流電壓轉換成電壓輸出，這樣就將輸入信號功率轉換為輸出電壓值的變化，我們只需要按照輸出電壓幅度與輸入信號功率的對應關(guān)系公式，就可以計算出被測信號當前時(shí)刻功率值。

輸出電壓幅度與輸入信號功率呈如下線(xiàn)性對數對應關(guān)系：

其中，X是VSET = VOUT /X式中的反饋因子，在電路中可調為1或2(通過(guò)改變VOUT與VSET引腳間的電阻以及VSET腳與地之間的電阻的阻值來(lái)調節); VSLOPE /DEC是-500mV/decade;VSLOPE /dB大約為-25mV/dB,VINTERCEPT是輸入-輸出關(guān)系曲線(xiàn)上X截取的對數線(xiàn)性部分。對正弦波輸入信號而言，VINTERCEPT是+7dBV.同時(shí)，AD8318片內對檢波信號加了0.5V的偏置電壓(VOFFSET)，所以輸出信號的最小值為X* VOFFSET.也就是說(shuō)當X=1時(shí)，VOUT的最小值為0.5V. AD8318有控制模式和測量模式可以選擇，根據OUT V腳的不同接法可選擇不同的模式，我們選擇AD8318的測量模式。圖3-7所示為AD8318的連接圖：