RF 至位解決方案可為材料分析應(yīng)用提供精密的相位和幅度數(shù)
加入技術(shù)交流群
在分析遠(yuǎn)程站點(diǎn)的材料時(shí)，無法把探針放進(jìn)材料中，此時(shí)，高頻收發(fā)器為準(zhǔn)確量化材料的體積分?jǐn)?shù)提供了一種可行的方法，而且不存在直接接觸材料時(shí)的不利影響。正交調(diào)解器為測量這些應(yīng)用的幅度和相移提供了一種強(qiáng)大的新方法。這里談到的接收器信號鏈采用ADL5380 寬帶正交解調(diào)器、ADA4940-2 超低功耗、低失真、全差分ADC驅(qū)動(dòng)器和AD7903 雙通道、差分、16 位、1 MSPS PulSAR ADC，不但可以提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，同時(shí)還能確保操作的安全性和經(jīng)濟(jì)性。
在圖1 所示接收器中，一個(gè)連續(xù)波信號從發(fā)射(Tx)天線發(fā)出，通過待分析的材料，到達(dá)接收(Rx)天線。接收到的信號將相對于原始發(fā)射信號進(jìn)行衰減和相移處理。該幅度變化和相移可用來確定媒介內(nèi)容。
圖1. 接收機(jī)功能框圖
幅度和相移可以直接關(guān)聯(lián)元件的透射率和反射率屬性，如圖2 所示。舉例來說，在油氣水流中，對于介電常數(shù)、損耗和分散度而言，水高，油低，氣超低。
圖2. 不同均質(zhì)媒介的透射率和反射率
接收器子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
圖3 所示接收器子系統(tǒng)把RF 信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以精確測量幅度和相位。信號鏈由一個(gè)正交解調(diào)器、一個(gè)雙通道差分放大器和一個(gè)雙通道差分SAR ADC 構(gòu)成。這種設(shè)計(jì)的主要目的是在高頻RF輸入動(dòng)態(tài)范圍較大的條件下，獲得高精度的相位和幅度測量結(jié)果。
圖3. 面向材料分析的接收器簡化子系統(tǒng)
正交解調(diào)器
正交解調(diào)器提供一個(gè)同相(I)信號和一個(gè)正好反相90°的正交(Q)信號。I 和Q 信號為矢量，因此，可以用三角恒等式計(jì)算接收信號的幅度和相移，如圖4 所示。本振(LO)輸入為原始發(fā)射信號，RF 輸入為接收信號。解調(diào)器生成一個(gè)和差項(xiàng)。兩個(gè)信號的頻率完全相同，ωLO = ωRF，因此，結(jié)果會過濾掉高頻和項(xiàng)，差項(xiàng)則駐留于直流。接收信號的相位為?RF，不同于發(fā)射信號的相位?LO。該相移為?LO – ?RF，是媒介介 電常數(shù)導(dǎo)致的結(jié)果，有助于確定材料內(nèi)容。
圖4. 利用正交解調(diào)器測量幅度和相位
真實(shí)I/Q 解調(diào)器具有許多缺陷，包括正交相位誤差、增益不平衡、LO-RF 泄漏等，所有這些都會導(dǎo)致解調(diào)信號質(zhì)量下降。要選擇解調(diào)器，首先確定RF 輸入頻率范圍、幅度精度和相位精度要求。
ADL5380 采用5 V 單電源供電，可接受400 MHz 至6 GHz 范圍內(nèi)的RF 或IF 輸入頻率，是接收器信號鏈的理想選擇。根據(jù)配置，可提供5.36 dB電壓轉(zhuǎn)換增益，其差分I 和Q 輸出可以把2.5 V p-p差分信號驅(qū)動(dòng)至500 Ω 負(fù)載。在900 MHz 時(shí)，其噪聲系數(shù)為10.9 dB，IP1dB 為11.6 dBm，三階交調(diào)截點(diǎn)(IIP3)為29.7 dBm，動(dòng)態(tài)范圍出色；而0.07 dB 的幅度平衡和0.2°的相位平衡則可實(shí)現(xiàn)杰出的解調(diào)精度。采用高級SiGe 雙極性工藝制造，提供微型4 mm × 4 mm、24 引腳LFCSP 封裝。
ADC 驅(qū)動(dòng)器和高分辨率精密ADC
ADA4940-2 全差分雙通道放大器具有卓越的動(dòng)態(tài)性能和可調(diào)輸出共模，是驅(qū)動(dòng)高分辨率雙通道SAR ADC 的理想之選。該器件采用5 V 單電源供電，在2.5 V 共模下可提供±5 V 差分輸出。根據(jù)配置可提供2 倍增益(6 dB)，并把ADC 輸入驅(qū)動(dòng)至滿量程。RC濾波器(22 Ω/2.7 nF)有助于限制噪聲，減少來自ADC 輸入端容性DAC的反沖。采用專有SiGe 互補(bǔ)雙極性工藝制造，提供微型4 mm× 4 mm、24 引腳LFCSP 封裝。
AD7903 雙通道16 位1 MSPS 逐次逼近型ADC 具有出色的精度，滿量程增益誤差為±0.006%，失調(diào)誤差為±0.015 mV。該器件采用2.5 V 單電源供電，1 MSPS 時(shí)功耗僅12 mW。使用高分辨率ADC的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)±1°的相位精度，尤其是當(dāng)輸入信號的直流幅度較小時(shí)。ADC 所要求的5 V 基準(zhǔn)電壓源由ADR435 低噪聲基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生。
如圖5 所示，接收器子系統(tǒng)利用ADL5380-EVALZ、EB-D24CP44-2Z、EVAL-AD7903SDZ 和EVAL-SDP-CB1Z 評估套件實(shí)現(xiàn)。這些電路組件針對子系統(tǒng)中的互連優(yōu)化。兩個(gè)高頻鎖相輸入源提供RF 和LO 輸入信號。
圖5. 接收器子系統(tǒng)評估平臺
表1 總結(jié)了接收器子系統(tǒng)中各個(gè)組件的輸入和輸出電壓電平。在 解調(diào)器的RF 輸入端，11.6 dBm 的信號產(chǎn)生的輸入在ADC 滿量程 范圍的–1 dB 之內(nèi)。表中假定，ADL5380 的負(fù)載為500 Ω，轉(zhuǎn)換增 益為5.3573 dB，功率增益為–4.643 dB，ADA4940-2 的增益為6 dB。 該接收器子系統(tǒng)的校準(zhǔn)程序和性能結(jié)果將在后續(xù)章節(jié)討論。
評論