便攜式功率分析儀設(shè)計(jì)----硬件設(shè)計(jì)（一）

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量射頻脈沖峰值功率的一種方法。該方法是測量重復(fù)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(jìn)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(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)的場合，必須精確測量脈沖參量以及測量的間較長。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，峰值檢波功率測量法由于是對(duì)被測信號(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)行采樣得到測量結(jié)果，該方法測量可信度高，并且有測量效率高，對(duì)測量環(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(hào)電壓，該電壓與加到檢波器上的脈沖功率成比例。則我們只需要測得該時(shí)刻檢波器輸出電壓值，即可求出該點(diǎn)被測信號(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，測量誤差為(10～15)%。在精確測量射頻功率時(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)雜外界條件下的測量需要。在低輸入功率下，二極管探測器處于限制動(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功率測量部分方案設(shè)計(jì)

功率測量通道主要實(shí)現(xiàn)射頻脈沖峰值功率實(shí)時(shí)測量。功率測試的設(shè)計(jì)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(chǔ)電路等。輸入信號(hào)通過控制信號(hào)切換到功率測量通道后，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。