多通道高精度幅相檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

王耀磊　許國(guó)宏　徐林峰

摘要： 相控陣?yán)走_(dá)為了保證空間功率合成精度和天線波束指向需要各雷達(dá)通道激勵(lì)信號(hào)擁有嚴(yán)格的相位關(guān)系，根據(jù)需求設(shè)計(jì)了一種基于AD8302的多通道高精度幅度相位檢測(cè)模塊。分析了AD8302的特點(diǎn)以及工作原理，給出了由AD8302、AD9852和CPCI總線接口等組成的幅相檢測(cè)模塊具體設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)闡述了模塊自我校準(zhǔn)的工作原理和流程，最終實(shí)現(xiàn)多路射頻輸入信號(hào)的相位差和幅度差的精確測(cè)量。現(xiàn)場(chǎng)使用結(jié)果表明，幅相檢測(cè)模塊具有檢測(cè)精度高、工作頻率范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)穩(wěn)定及實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：AD8302；幅相檢測(cè)；相位差；相控陣?yán)走_(dá)；

中圖分類(lèi)號(hào)：TN911.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）13-0256-03

Abstract： In order to ensure precision of power synthesize and antenna beam steering in phased array radar， there is need of strict phase relation in multi-channel radar， According as requirement， a kind of the magnitude and phase measuring module with multi-channel and high precision based on AD8302 is designed. This paper analyse the AD8302 Character and the working principle， and give a specific design of the magnitude and phase measuring module that consist of AD8302， AD9852 and CPCI bus， It focuses on the working principle and process of the module self-calibration， Finally realized the measurement of the magnitude and phase of the multi-channel input signal. The results shows that magnitude and phase measuring module has the advantages of high precision， wide work frequency band， strong anti-jamming， good stable performance， good practicability and so on.

Key words： AD8302； magnitude and phase measuring； phase difference； phased array radar

1 概述

有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)空間功率合成和天線波束快速掃描就必須要求各雷達(dá)通道激勵(lì)信號(hào)相位關(guān)系精確可控。由于相控陣各天線單元之間的信號(hào)幅度與相位因?yàn)橹圃旌桶惭b公差、傳輸反射等原因難以做到一致，存在幅度與相位誤差并且嚴(yán)重影響到雷達(dá)的波束指向，所以對(duì)各雷達(dá)通道幅相誤差的檢測(cè)與修正對(duì)相控陣系統(tǒng)來(lái)說(shuō)就尤為重要。

傳統(tǒng)的數(shù)字或模擬幅度相位檢測(cè)方法電路復(fù)雜，易受干擾測(cè)量精度低，而且適用的頻率范圍窄，因此研究出一種電路簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、測(cè)量頻帶寬的新型幅相檢測(cè)方法就具有很重要的意義。本文設(shè)計(jì)了一種基于AD8302的多通道高精度幅相檢測(cè)模塊，可精確測(cè)量相控陣?yán)走_(dá)各通道的射頻信號(hào)的幅度相位差，同時(shí)也可廣泛應(yīng)用于信號(hào)變換、信息采集、控制以及通信等領(lǐng)域。

2 AD8302工作原理

AD8302是ADI 公司推出的用于RF/ IF 幅度和相位測(cè)量的首款單片集成電路，它能同時(shí)測(cè)量從低頻到 2.7GHz 頻率范圍內(nèi)兩輸入信號(hào)之間的幅度比和相位差。AD8302 主要由精密匹配的兩個(gè)寬帶對(duì)數(shù)放大器、一個(gè)相位檢測(cè)器、輸出放大器組、一個(gè)偏置單元和一個(gè)輸出參考電壓緩沖器組成[[1]]，其功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。AD8302 之所以能進(jìn)行幅度和相位差的精確測(cè)量主要是由于其內(nèi)部的兩個(gè)寬帶對(duì)數(shù)放大器，每一個(gè)寬帶對(duì)數(shù)放大器都由 6 個(gè) 10dB 增益級(jí)串聯(lián)而成，6 個(gè)增益級(jí)都帶有 7 個(gè)輔助濾波器，這樣的結(jié)構(gòu)使它具有的對(duì)數(shù)的壓縮功能，可以將寬頻帶的兩個(gè)輸入電壓變?yōu)檎瓗У姆重惪潭容敵?，從而?shí)現(xiàn)了對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)增益的測(cè)量。測(cè)量后的結(jié)果是將輸入信號(hào)的相位差變換為電壓輸出，范圍是 0～1.8V，幅度之比也變換為相應(yīng)的電壓輸出[[2]]。

AD8302通過(guò)精密匹配的2個(gè)寬帶對(duì)數(shù)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)2個(gè)輸入通道信號(hào)的幅度和相位測(cè)量，其幅度和相位測(cè)量方程式為：

3 幅相檢測(cè)模塊具體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的幅相檢測(cè)模塊功能是對(duì)相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射系統(tǒng)耦合回的多路射頻信號(hào)進(jìn)行幅度和相位檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)值調(diào)整激勵(lì)源，以確保激勵(lì)源輸出信號(hào)相位幅度的準(zhǔn)確性。幅相檢測(cè)模塊由總線接口部分、開(kāi)關(guān)矩陣部分、幅相檢測(cè)部分、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換部分和時(shí)序控制部分組成，幅相檢測(cè)模塊組成如圖2所示。

多路射頻信號(hào)輸入模塊后由開(kāi)關(guān)矩陣依次選通為待測(cè)信號(hào)，與DDS 經(jīng)放大、功分輸出的參考信號(hào)一起調(diào)理后直接送至幅相檢測(cè)芯片AD8302， AD8302將檢測(cè)所得幅度差及相位差電平由電子開(kāi)關(guān)選擇后送至模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)轉(zhuǎn)換芯片分別對(duì)電平值進(jìn)行采樣，將所得數(shù)字信號(hào)送至FPGA中進(jìn)行處理，將結(jié)果通過(guò)總線送至主控模塊。

3.1 總線接口部分

幅相檢測(cè)模塊需要與主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，為滿(mǎn)足傳輸速率的要求，設(shè)計(jì)采用CPCI總線實(shí)現(xiàn)控制命令的下發(fā)和檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳的功能。CPCI總線是目前兼容性最強(qiáng)、功能最全的計(jì)算機(jī)總線，但其總線規(guī)范復(fù)雜、時(shí)序要求嚴(yán)格、接口設(shè)計(jì)難度大，因此為了降低設(shè)計(jì)難度，選用PLX公司的PCI9054總線控制芯片。該芯片支持66MHz、64bit的PCI R2.2規(guī)范，提供了3中物理總線接口：CPCI總線接口、LOCAL總線接口和串行EPROM接口。PCI9054作為橋接芯片在PCI總線和本地總線之間傳輸數(shù)據(jù)，其傳輸模式靈活多樣，包括直接主模式（PCI Master）、直接從模式（PCI Target）和DMA模式。本設(shè)計(jì)中，PCI9054采用PCI從模式，主控模塊作為主設(shè)備發(fā)起對(duì)本地總線的訪問(wèn)，PCI9054請(qǐng)求占有本地總線完成數(shù)據(jù)傳輸功能[[4]]。

3.2 開(kāi)關(guān)矩陣部分

開(kāi)關(guān)矩陣電路用于實(shí)現(xiàn)對(duì)多路輸入信號(hào)以及自檢信號(hào)的選通，主要由多片射頻開(kāi)關(guān)ADG904組成。ADG904為ADI公司推出的一款四選一射頻開(kāi)關(guān)，其內(nèi)部每條通路上都匹配一50Ω吸收負(fù)載，可提高系統(tǒng)抗干擾能力，提高電磁兼容性，其工作頻率范圍為DC～1GHz；在信號(hào)不加偏置的情況下最大輸入功率可達(dá)7dBm，插入損耗為0.4dB，回波損耗可達(dá)27dB。在本設(shè)計(jì)中，為了防止相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)各通道耦合回的信號(hào)幅度的突變，所以在輸入端加衰減網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行衰減，以保證ADG904正常工作，ADG904電路連接如圖3所示。

3.3 幅相檢測(cè)部分

幅相檢測(cè)電路為幅相檢測(cè)模塊的核心，用于實(shí)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)之間幅度差及相位差的檢測(cè)。該電路主要由幅相檢測(cè)芯片AD8302和參考信號(hào)產(chǎn)生芯片AD9852構(gòu)成。 AD8302 把兩輸入信號(hào)幅度之比（即增益）轉(zhuǎn)化為電壓輸出，其范圍為0～1.8V，表示增益范圍為-30dB～+30dB，檢測(cè)精度可達(dá)0.2dB；兩輸入信號(hào)的相位差也轉(zhuǎn)化為電壓輸出，其范圍為 0～1.8V，可表示兩信號(hào)的相位差為0°～180°，無(wú)法確認(rèn)待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的相位差是在 0°～-180°還是在 0°～+180°之間，存在著相位二值性判斷問(wèn)題[[5]]。

同時(shí)，根據(jù)AD8302用戶(hù)手冊(cè)可知其對(duì)在0°和180°附近檢測(cè)誤差較大，最大可達(dá)8°，而在90°附近誤差小于0.5°。因此，在本設(shè)計(jì)中引入一參考信號(hào)，通過(guò)控制參考信號(hào)移相，來(lái)解決AD8302二值性及誤差問(wèn)題。設(shè)計(jì)采用頻率分辨率高的DDS芯片AD9852產(chǎn)生參考信號(hào)，在檢測(cè)相位時(shí)，首先測(cè)量輸入信號(hào)與參考信號(hào)相位差，然后控制AD9852使參考信號(hào)相位產(chǎn)生90°相移，再次測(cè)量相位差，對(duì)比兩次結(jié)果分析出輸入信號(hào)與參考信號(hào)相位關(guān)系。

3.4 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換部分

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路由AD7942實(shí)現(xiàn)，AD7942是ADI公司出品的一款14位逐次逼近型采樣芯片，采用2.3 V至5.5 V單電源供電。它內(nèi)置一個(gè)低功耗、高速、14位無(wú)失碼采樣ADC、一個(gè)內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘和一個(gè)SPI端口?；鶞?zhǔn)電壓由外部提供，最高可設(shè)置為電源電壓。最大積分非線性誤差（INL）為±1 LSB。在本設(shè)計(jì)中，采用3.3V供電，參考電壓選擇2.5V，以14位計(jì)算，其最小可測(cè)量電壓不到1mV，而AD8302的檢測(cè)精度分別為30mV/dB以及10mV/deg，可以滿(mǎn)足指標(biāo)要求，AD7942電路連接如圖4所示。

3.5 時(shí)序控制部分

時(shí)序控制部分為幅相檢測(cè)模塊提供了數(shù)據(jù)、地址的緩沖并產(chǎn)生各種控制信號(hào)，它主要由FPGA和檢測(cè)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

FPGA要實(shí)現(xiàn)的功能有以下部分：總線通信、產(chǎn)生AD9852的控制信號(hào)、激勵(lì)輸出及系統(tǒng)參考時(shí)鐘輸入信號(hào)的BIT檢測(cè)、開(kāi)關(guān)矩陣及電子開(kāi)關(guān)的選通控制等，同時(shí)從提高幅相檢測(cè)模塊準(zhǔn)確度和可靠性的角度考慮，設(shè)計(jì)FPGA還承擔(dān)著對(duì)幅相檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的任務(wù)。FPGA采用Xilinx公司的XC3S250E，相應(yīng)的配置芯片為XCF02S，XC3S250E采用PQFP208封裝，內(nèi)部含有27K字節(jié)的Block RAM和4K字節(jié)的分布式RAM。檢測(cè)電路主要功能為對(duì)DDS輸出的參考信號(hào)進(jìn)行二極管檢波，當(dāng)有參考信號(hào)輸入時(shí)檢測(cè)電路輸出高電平給FPGA，從而FPGA判斷參考信號(hào)正常，反之亦然。

4 幅相檢測(cè)模塊的校準(zhǔn)

AD8302作為幅度相位測(cè)量芯片也存在著不足，例如在相位檢測(cè)時(shí)只能輸出0°～180°需要進(jìn)行二值性判斷、相位檢測(cè)的非線性等。AD8302的這些缺點(diǎn)對(duì)相位檢測(cè)的精度影響尤為突出，所以需要幅相檢測(cè)模塊的自我校準(zhǔn)來(lái)克服。

當(dāng)把AD8302的輸出引腳VMAG和VPHS直接與芯片反饋設(shè)置輸入引腳MSET和PSET相連時(shí)，芯片的測(cè)量模式將工作在默認(rèn)的斜率和中心點(diǎn)上，精確幅度測(cè)量比例系數(shù)為30mV/dB，精確相位測(cè)量比例系數(shù)為10mV/度[[1]]。但根據(jù)實(shí)際測(cè)量可知，AD8302在不同頻率下幅相比例系數(shù)并不相同，所以設(shè)計(jì)校準(zhǔn)的方法為DDS輸出的參考信號(hào)經(jīng)功分一路作為參考信號(hào)直接進(jìn)入檢測(cè)芯片，另一路功分信號(hào)經(jīng)開(kāi)關(guān)矩陣選通作為待測(cè)信號(hào)也進(jìn)入檢測(cè)芯片，由于兩路信號(hào)都是由DDS產(chǎn)生并功分，因此兩路信號(hào)存在著固定的相位關(guān)系，可由專(zhuān)業(yè)儀器例如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提前測(cè)量好存儲(chǔ)起來(lái)。同時(shí)，把整個(gè)測(cè)量頻段分為若干個(gè)小頻段，對(duì)兩信號(hào)幅相差進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量，根據(jù)測(cè)量采樣電平值與真實(shí)幅度相位差值進(jìn)行比對(duì)計(jì)算出小頻段內(nèi)精確的幅相比例系數(shù)并存儲(chǔ)在FPGA中以便后續(xù)使用[[6]]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于AD8302的幅相檢測(cè)模塊已經(jīng)成功應(yīng)用在某相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)上，由于采取了若干提高檢測(cè)精度的措施，相位檢測(cè)精度可達(dá)到0.2°，幅度檢測(cè)精度可達(dá)到0.1 dB。實(shí)踐證明，利用AD8302進(jìn)行幅度和相位檢測(cè)電路簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、系統(tǒng)可靠性高、成本低，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] Analog Devices Inc. AD8302 LF–2.7 GHz RF/IFGain and Phase Detector[Z].2002.

[2] 沙占友，劉阿芳.基于AD8302的單片寬頻帶相位差測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2006（1）：57-60.

[3] 曹蘭娟.基于 AD8302 芯片的新的幅相測(cè)量系統(tǒng)[J].電子工程師，2007（3）：6-8.

[4] 鄭成波，楊科技，傅其祥.一種基于CPCI總線的高速雷達(dá)回波信號(hào)采集系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（18）：122-124.

[5] Sam Wetterlin. USE OF PHASE SHIFT TO RESOLVE SIGN AMBIGUITY AND IMPROVE ACCURACY IN THE AD8302 PHASE DETECTOR [J].Electronic Design Engineering， 2009，18（3）：13-17.

[6] 李星，許國(guó)宏，王耀磊. 高精度幅相檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（1）：123-125.