信號(hào)源單音信號(hào)功率的精確調(diào)節(jié)與校準(zhǔn)*

摘 要:首先介紹了功率調(diào)節(jié)通道的硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地闡述了前置程控衰減器、自動(dòng)電平控制環(huán)路和后置120dB衰減器的功率調(diào)節(jié)過(guò)程，并詳細(xì)論述了這3個(gè)環(huán)節(jié)的校準(zhǔn)原理和步驟。該校準(zhǔn)方法具有操作步驟簡(jiǎn)單、校準(zhǔn)過(guò)程實(shí)時(shí)可控等特點(diǎn)，經(jīng)校準(zhǔn)后的信號(hào)源單音功率具有良好的線性，準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.1dBm，分辨率達(dá)到0.1dBm，輸出信號(hào)功率動(dòng)態(tài)范圍典型值+15～-120 dBm@1 GHz。

*基金項(xiàng)目：中電儀器（安徽）公司電子測(cè)量?jī)x器技術(shù)，蚌埠市技術(shù)創(chuàng)新中心項(xiàng)目《5G終端模擬測(cè)試技術(shù)》

0  引言

隨著現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，針對(duì)廣播、雷達(dá)、電視等不同需求，各種體積小、操作靈活、可靠性高的專用信號(hào)源不斷涌現(xiàn)^[1]。作為電子系統(tǒng)中必不可或缺的關(guān)鍵組成部分，信號(hào)源主要用來(lái)提供激勵(lì)或模擬仿真信號(hào)。由于電子技術(shù)的快速發(fā)展，特別是5G技術(shù)的日趨成熟及商用，對(duì)信號(hào)源的要求越來(lái)越高，輸出頻率擴(kuò)展到幾十G到上百GHz，頻率分辨率達(dá)到mHz甚至更小，頻率切換時(shí)間達(dá)到ns級(jí)；隨著高性能接收機(jī)以及大功率器件的出現(xiàn)，要求信號(hào)源具有更大的功率動(dòng)態(tài)范圍，更高的功率準(zhǔn)確度和分辨率。本文利用自動(dòng)電平控制（ALC）穩(wěn)幅電路方案^[2]，結(jié)合幾種性能優(yōu)異的放大器和可控衰減器，提出了一種精確調(diào)節(jié)輸出功率的設(shè)計(jì)，并給出了單音功率的校準(zhǔn)方法。

1   功率調(diào)節(jié)通道的硬件設(shè)計(jì)

信號(hào)（660M-6GHz）在第一本振板產(chǎn)生以后，經(jīng)過(guò)開關(guān)帶通濾波器板濾除諧波以后進(jìn)入矢量信號(hào)發(fā)生板，在這里加載不同制式的調(diào)制信號(hào)后，通過(guò)開關(guān)低通濾波器板過(guò)濾掉此前加載調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的諧波信號(hào)，進(jìn)入到變頻板。變頻板主要起兩方面作用：①第1本振板信號(hào)(1.34~2.000 1) GHz和2 GHz本振板信號(hào)在這里混頻產(chǎn)生低頻信號(hào)（100 kHz~660 MHz），②實(shí)現(xiàn)信號(hào)功率的精確調(diào)節(jié)。從變頻板出來(lái)的信號(hào)已經(jīng)是比較純凈的、具有穩(wěn)定功率的調(diào)制信號(hào)或者單音信號(hào)，根據(jù)信號(hào)源輸出功率大小設(shè)置，大信號(hào)選擇放大通路，小信號(hào)選擇衰減通路，最終輸出所需要的射頻信號(hào)。射頻信號(hào)產(chǎn)生及處理的整個(gè)過(guò)程由主控軟件通過(guò)工控板進(jìn)行全局控制^[3-4]，見圖1。

圖1 射頻信號(hào)產(chǎn)生及處理示意圖

2   單音信號(hào)功率的調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)

2.1 信號(hào)功率的調(diào)節(jié)過(guò)程

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)功率大小的精確調(diào)節(jié)，采用自動(dòng)電平控制（ALC）環(huán)路反饋控制方法。如圖2所示，我們?cè)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/ALC">ALC環(huán)路（II）之前放置了1個(gè)程控衰減器和功率放大器（I），程控衰減器選用的是Hittite公司(注：2014年被ADI收購(gòu))的HMC624，工作頻段0~6 GHz，其衰減值通過(guò)6位二進(jìn)制邏輯位來(lái)控制，可以實(shí)現(xiàn)最小步進(jìn)0.5 dB，32 dB范圍衰減；功率放大器選用Firstar公司的FGB-1509A，其在1 MHz~9 GHz內(nèi)的功率增益可達(dá)15 dB，采用5 V直流電壓供電。程控衰減器的衰減預(yù)置值一旦確定將不再更改，和功率放大器配合調(diào)整進(jìn)入ALC環(huán)路的信號(hào)功率，主要起兩方面作用：①使當(dāng)壓控衰減器處于衰減值較小時(shí)，功率鏈路上的器件工作在線性狀態(tài)，防止過(guò)載對(duì)功率器件造成損壞；②保證功率器件工作在線性狀態(tài)時(shí)，信號(hào)源整機(jī)最終輸出功率最大值能夠滿足企標(biāo)要求。因此可以說(shuō)第I部分對(duì)整個(gè)鏈路上的功率起到全局把控的作用^[5]。

圖2 ALC環(huán)路控制工作原理框圖

當(dāng)信號(hào)源設(shè)置好所需要信號(hào)的功率時(shí)，CPU會(huì)將提前預(yù)置好的數(shù)值（通過(guò)功率校準(zhǔn)獲得）送給FPGA進(jìn)行處理，接著經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換成控制壓控衰減器的電壓信號(hào)。輸入信號(hào)首先進(jìn)入壓控衰減器，然后經(jīng)過(guò)功率放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，之后進(jìn)入耦合電路，一路作為射頻輸出，另一路經(jīng)耦合電路進(jìn)入檢波器，產(chǎn)生1個(gè)檢波電壓，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成檢波數(shù)據(jù)，在FPGA里實(shí)現(xiàn)與CPU預(yù)置值進(jìn)行求和運(yùn)算，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出反饋控制電壓控制壓控衰減器。如果由于溫度或其他原因ALC環(huán)路輸出功率變大，則檢波電壓變大，與參考預(yù)置值求和后產(chǎn)生的反饋控制電壓隨之變大，壓控衰減器衰減值變大，使輸出功率變小，最終使ALC環(huán)路輸出功率維持恒定數(shù)值^[6]。

根據(jù)信號(hào)源需要輸出功率的大小，ALC環(huán)路輸出信號(hào)將會(huì)選擇走放大通路還是衰減通路。后置放大通路選用的放大器是Hittite公司的HMC788ALP2E，適用頻段DC~10 GHz，增益可達(dá)+14 dB。后置衰減通路選用的是Hittite公司的HMC624，采用4片HMC624配合使用，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)10dB、范圍120dB內(nèi)的可控衰減，具體見表2所示。一般來(lái)說(shuō)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)過(guò)后，信號(hào)從變頻板輸出，在進(jìn)入到后置放大器或衰減器之前的功率在0dBm左右，如果想要輸出1GHz、+10dBm的單音信號(hào)，就要通過(guò)放大通路；想要輸出1 GHz、-65 dBm的單音信號(hào)需要經(jīng)過(guò)衰減通路。需要注意的是，信號(hào)功率經(jīng)放大通路所能達(dá)到的最小值必須小于經(jīng)衰減通路所能達(dá)到的最大值，否則會(huì)出現(xiàn)功率不連續(xù)現(xiàn)象。

2.2   單音信號(hào)功率的校準(zhǔn)原理

2.2.1 獲取校準(zhǔn)所用射頻同軸電纜的線損數(shù)據(jù)

在待校信號(hào)源中運(yùn)行線損測(cè)試程序，遠(yuǎn)程控制SMW200A向FSW26.5發(fā)送某校準(zhǔn)頻點(diǎn)的單音信號(hào)，信號(hào)源會(huì)比較SMW200A發(fā)出信號(hào)的功率值與FSW26.5收到信號(hào)的測(cè)試值并求出差值，這樣就得到了當(dāng)前校準(zhǔn)頻點(diǎn)下射頻同軸電纜的線損數(shù)據(jù)。換到其他校準(zhǔn)點(diǎn)，重復(fù)剛才的處理過(guò)程，獲得其他校準(zhǔn)點(diǎn)的線損數(shù)據(jù)，形成文檔保存在信號(hào)源本地磁盤中，以備后續(xù)校準(zhǔn)調(diào)用。

2.2.2 獲取前置程控?cái)?shù)字衰減器的預(yù)置值

在待校信號(hào)源中運(yùn)行預(yù)置值測(cè)試程序。測(cè)試程序首先設(shè)置信號(hào)源頻率，然后向前置程控衰減器HMC624發(fā)送一組數(shù)據(jù) D_n 使其工作在某個(gè)衰減值下，生效后再向控制ALC環(huán)路模擬衰減器的DAC發(fā)送2組數(shù)據(jù)，一組數(shù)據(jù)使壓控衰減器衰減最大，另一組數(shù)據(jù)使壓控衰減器衰減為0，與此同時(shí)FSW26.5會(huì)分別測(cè)出這兩種情況下信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)功率 P_no 和 P_n1 ，并被信號(hào)源測(cè)試程序讀取分析：若∣ P_n1 - P_no  | ≥30 dBm，且符合表1條件，則可以作為前置程控衰減器HMC624的備選預(yù)置值。值得說(shuō)明的是通常滿足條件的 D_n 值不止一組，一般選擇使HMC624衰減最大的那一組作為預(yù)置值。當(dāng)前頻點(diǎn)的預(yù)置值確定以后將切換到其他校準(zhǔn)點(diǎn)，重復(fù)剛才的處理過(guò)程，獲得其他校準(zhǔn)點(diǎn)的預(yù)置值，形成預(yù)置值文檔保存在信號(hào)源本地磁盤中不再改動(dòng)，除非信號(hào)源硬件設(shè)計(jì)發(fā)生變化。

表2 ALC環(huán)路模擬衰減器衰減最小時(shí)值滿足條件

2.2.3 ALC環(huán)路校準(zhǔn)

ALC環(huán)路校準(zhǔn)是為了獲得CPU預(yù)置值作為基準(zhǔn)，ALC環(huán)路輸出耦合回來(lái)的信號(hào)經(jīng)檢波和AD轉(zhuǎn)換以后與CPU預(yù)置值進(jìn)行累加，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換成反饋調(diào)節(jié)電壓來(lái)控制壓控衰減器的衰減量，從而使輸出功率保持穩(wěn)定。壓控衰減器選用的是Hittite公司的模擬電壓控制衰減器HMC346AMS8GE，其控制電壓為0～-3 V，適用頻段DC~8 GHz，可以在30 dB功率范圍內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減。FPGA發(fā)送的壓控衰減器控制數(shù)據(jù)是12位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器和反相運(yùn)放電路才能產(chǎn)生直接控制HMC346的0～-3 V的模擬控制電壓。具體校準(zhǔn)過(guò)程如下：校準(zhǔn)開始設(shè)定好校準(zhǔn)頻點(diǎn)以后開始向D/A轉(zhuǎn)換器依次發(fā)送從000到FFF的壓控衰減器數(shù)字控制數(shù)據(jù)，F(xiàn)SW26.5會(huì)測(cè)出與每個(gè)衰減數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的信號(hào)源輸出功率，校準(zhǔn)程序讀到該功率值并將該頻點(diǎn)的線損計(jì)算進(jìn)去以后作為待校信號(hào)源的實(shí)際輸出功率，然后將校準(zhǔn)頻點(diǎn)、衰減數(shù)據(jù)和實(shí)際功率值三者關(guān)聯(lián)保存起來(lái)，以后只要信號(hào)源設(shè)置了頻點(diǎn)和功率，CPU會(huì)把與之關(guān)聯(lián)的衰減數(shù)據(jù)調(diào)取出來(lái)，作為ALC環(huán)路功率參考值。該校準(zhǔn)頻點(diǎn)下，000~FFF的壓控衰減數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，且相關(guān)聯(lián)的功率值均已保存時(shí)，則當(dāng)前頻點(diǎn)校準(zhǔn)結(jié)束，校準(zhǔn)程序會(huì)自動(dòng)切換到下一個(gè)校準(zhǔn)頻點(diǎn)，重復(fù)以上過(guò)程，直至整個(gè)信號(hào)源校準(zhǔn)過(guò)程結(jié)束，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)會(huì)保存為本地文件供使用信號(hào)源時(shí)調(diào)用。

考慮到校準(zhǔn)時(shí)間且功率調(diào)節(jié)通道上的器件基本工作在線性條件下，000~FFF共4 096個(gè)衰減數(shù)據(jù)不必全部發(fā)送，可以采取每隔20個(gè)或者30個(gè)發(fā)送1個(gè)衰減數(shù)據(jù)，實(shí)際校準(zhǔn)時(shí)，1個(gè)頻點(diǎn)在30 dBm范圍里發(fā)送100～200個(gè)衰減數(shù)據(jù)即可，信號(hào)源在調(diào)用這100～200個(gè)衰減數(shù)據(jù)時(shí)，采用5次函數(shù)擬合，計(jì)算出其他功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制衰減數(shù)據(jù)作為預(yù)置參考值。同樣，我們從100 kHz~6 GHz頻段中只選取了128個(gè)頻點(diǎn)作為校準(zhǔn)頻點(diǎn)，如果要輸出信號(hào)頻率f_i、功率P_i的信號(hào)，f_i不在校準(zhǔn)頻點(diǎn)上，而是落在了相鄰校準(zhǔn)頻點(diǎn) f_n-1 和 f_n 之間，則根據(jù)式(1)(2)算出頻率f_i、功率P_i對(duì)應(yīng)的預(yù)置衰減數(shù)據(jù)D_i。

其中， D_i、D_n-1 與分別為功率P_i時(shí)頻率 f_i、f_n-1、f_n 對(duì)應(yīng)的衰減數(shù)據(jù)。求得：

2.2.4 120 dB衰減器校準(zhǔn)

120 dB衰減器在工作時(shí)不可能正好按照10 dB步進(jìn)衰減，為了保證小功率信號(hào)的準(zhǔn)確性，需要對(duì)120 dB衰減器進(jìn)行校準(zhǔn)。在ALC環(huán)路已經(jīng)校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上開始進(jìn)行衰減器校準(zhǔn)，校準(zhǔn)程序先設(shè)定好信號(hào)源當(dāng)前校準(zhǔn)頻點(diǎn)，輸出功率設(shè)置為0 dBm，校準(zhǔn)程序通過(guò)GPIB線纜遠(yuǎn)程控制FSW26.5，測(cè)出此時(shí)信號(hào)源的實(shí)際功率。然后開始按照表1向120 dB衰減器發(fā)送控制數(shù)據(jù)，使其衰減值從0~120 dB依次增加，用FSW26.5分別測(cè)出每一檔衰減下待校信號(hào)源發(fā)出的實(shí)際信號(hào)功率值（n=0,1,2…,12），并求出與輸出功率設(shè)置為0 dBm的信號(hào)源實(shí)際輸出功率的差值，取反后保存為  格式。當(dāng)前頻點(diǎn)完成校準(zhǔn)后，切換到下一校準(zhǔn)頻點(diǎn)。直至所有頻點(diǎn)完成校準(zhǔn)后匯合起來(lái)，形成衰減器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)文檔，存放在本地磁盤。

2.3   單音信號(hào)功率的校準(zhǔn)過(guò)程

2.3.1 校準(zhǔn)儀器及工具

信號(hào)源校準(zhǔn)之前先按照表3備齊校準(zhǔn)儀器和工具。

2.3.2 校準(zhǔn)過(guò)程

1)線損數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。用GPIB轉(zhuǎn)USB線纜一端連接待校信號(hào)源前面板USB插口，另一端配合GPIB轉(zhuǎn)接器，連接FSW26.5和SMW200A的后面板上的GPIB插座口；用BNC線纜連接FSW26.5和SMW200A實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)儀器共時(shí)基；用射頻同軸電纜連接SMW200A射頻輸出接口和FSW26.5的射頻輸入接口。打開各儀器開關(guān)，預(yù)熱0.5 h以后，按待校信號(hào)源屏幕左側(cè)按鈕【系統(tǒng)】，按【校準(zhǔn)調(diào)試】，進(jìn)入校準(zhǔn)設(shè)置界面。設(shè)置好起始頻率和終止頻率，按【線損校準(zhǔn)】，開始進(jìn)行線損數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。幾分鐘以后彈出“校準(zhǔn)完成”窗口，點(diǎn)擊“確認(rèn)”，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)自動(dòng)按照設(shè)定好的路徑保存起來(lái)，線損校準(zhǔn)結(jié)束。

2)前置程控衰減器HMC624預(yù)置值校準(zhǔn)。用GPIB轉(zhuǎn)USB線纜一端連接待校信號(hào)源前面板USB插口，另一端連接FSW26.5后面板上的GPIB插座口；用BNC線纜連接待校信號(hào)源和FSW26.5實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)儀器共時(shí)基；用射頻同軸電纜連接SMW200A射頻輸出接口和FSW26.5的射頻輸入接口。進(jìn)入到校準(zhǔn)調(diào)試界面，設(shè)置好起始頻率和終止頻率，按【HMC624校準(zhǔn)】【開始】，校準(zhǔn)開始，校準(zhǔn)完成后會(huì)彈出提醒窗口，點(diǎn)擊“確認(rèn)”后，需要返回進(jìn)入校準(zhǔn)調(diào)試界面第2頁(yè)，按【保存衰減器數(shù)據(jù)】，衰減器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)會(huì)按照指定路徑保存起來(lái)，并即時(shí)生效，衰減器校準(zhǔn)結(jié)束。

3)ALC環(huán)路校準(zhǔn)。前置程控衰減器HMC624預(yù)置值校準(zhǔn)完成以后，才能開始進(jìn)行ALC環(huán)路校準(zhǔn)。進(jìn)入到待校信號(hào)源校準(zhǔn)調(diào)試界面第一頁(yè)，設(shè)置好起始頻率和終止頻率，按【ALC環(huán)路校準(zhǔn)】【開始】，校準(zhǔn)開始。如圖3所示為信號(hào)源ALC環(huán)路校準(zhǔn)過(guò)程中的輸出功率值與CPU衰減預(yù)置值的關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出在校準(zhǔn)了1GHz頻點(diǎn)下-16～+14 dBm的功率。校準(zhǔn)完成后會(huì)彈出提醒窗口，點(diǎn)擊“確認(rèn)”后，需要返回進(jìn)入校準(zhǔn)調(diào)試界面第2頁(yè)，按【保存放大路ALC】，ALC環(huán)路校準(zhǔn)數(shù)據(jù)會(huì)按照指定路徑保存起來(lái)，并即時(shí)生效，至此ALC環(huán)路校準(zhǔn)結(jié)束。

圖3 ALC環(huán)路校準(zhǔn)曲線圖

4)120 dB衰減器校準(zhǔn)。進(jìn)入到待校信號(hào)源校準(zhǔn)調(diào)試界面第1頁(yè)，設(shè)置好起始頻率和終止頻率，按【衰減器校準(zhǔn)】【開始】，校準(zhǔn)開始。如圖4所示為校準(zhǔn)過(guò)程中的輸出功率值與120 dB衰減器衰減預(yù)置值的關(guān)系曲線圖?？闯稣Ｇ闆r下校準(zhǔn)曲線基本是一條直線，從圖中可以看出在末端已經(jīng)出現(xiàn)了非線性現(xiàn)象，這是因?yàn)檩敵鲂盘?hào)功率達(dá)到-120 dBm時(shí)（此時(shí)衰減器的衰減值達(dá)到100 dB）受到了底噪的影響。校準(zhǔn)完成后會(huì)彈出提醒窗口，點(diǎn)擊“確認(rèn)”后，返回進(jìn)入校準(zhǔn)調(diào)試界面第二頁(yè)，按【保存衰減器數(shù)據(jù)】，衰減器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)會(huì)按照指定路徑保存起來(lái)，并即時(shí)生效，120 dB衰減器校準(zhǔn)結(jié)束。

圖4 120dB衰減器校準(zhǔn)曲線圖

3   校準(zhǔn)結(jié)果及分析

用FSW26.5測(cè)量已經(jīng)校準(zhǔn)完成的信號(hào)源發(fā)出的單音信號(hào)功率，直接測(cè)量結(jié)果如表5、表6和表7所示，表中數(shù)據(jù)包含了測(cè)試電纜的線損，線損值見表4所示。由表5并結(jié)合表4可以看出，校準(zhǔn)后信號(hào)源輸出信號(hào)功率的準(zhǔn)確度在-0.1 dB以內(nèi)，且在-110～+5 dBm范圍內(nèi)具有良好的線性；根據(jù)表6的數(shù)據(jù)可以看出信號(hào)源輸出功率分辨率達(dá)到0.1 dB；由表7可知低頻時(shí)輸出最大功率在+5 dBm以上，高頻時(shí)輸出最大功率在+12 dBm以上，在(0.1～6 000) MHz頻段內(nèi)最小輸出功率低于-120 dBm。

表4 部分頻點(diǎn)下測(cè)試用電纜的線損值表

表5 功率準(zhǔn)確度和功率線性度測(cè)試記錄表

表6 功率分辨率測(cè)試記錄表

4   結(jié)論

利用本文提出的功率調(diào)節(jié)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)并通過(guò)文中提出的校準(zhǔn)方法進(jìn)行校準(zhǔn)的信號(hào)源，在低于6 GHz的工作頻段，具有較高的功率準(zhǔn)確度（精確到0.1 dBm以內(nèi)）和功率分辨率（0.1 dB），較寬的功率動(dòng)態(tài)輸出范圍（10 MHz 以內(nèi)頻段為-120～+5 dBm，10 MHz～6 GHz頻段為-120～+12dBm），較好的功率線性度，性能穩(wěn)定，是一種理想的信號(hào)源。 

表7 功率動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試記錄表

參考文獻(xiàn)：

[1]   于乃益.10MHz到10GHz信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2013.

[2]   韓鵬偉.微波功率放大器的ALC環(huán)路設(shè)計(jì)[J].電子科技,2014(8):53-56.

[3]   趙潤(rùn)年,湯瑞.一種矢量信號(hào)解調(diào)和頻譜分析的射頻接收通道設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2018(04).

[4]   車朝光,李東,邵海明.單通道信號(hào)源構(gòu)成多通道信號(hào)源技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2016(04):63-65.

[5]   魏建勇.一種信號(hào)源功率調(diào)節(jié)模塊設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2018(10):33-37.

[6]   張煜.信號(hào)源的ALC環(huán)路設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2007(05):29-31.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年8月期）