一種峰值功率探頭的設(shè)計

李春玉

（中電科儀器儀表有限公司，安徽 蚌埠 233010）

信號的功率電平是幾乎所有射頻和微波設(shè)備的主要指標之一，對微波功率電平的精確測量已成為現(xiàn)代微波測量中最重要的一環(huán)。在射頻和微波頻段，信號波長可以與測量裝置的尺寸相比擬時，電壓和電流已失去唯一性而不被實用于測量。直接測量功率更為方便，并有廣泛的用途。

測量微波功率的方法是多種多樣的，但大多數(shù)測量方法的實質(zhì)是在于首先將信號功率轉(zhuǎn)變?yōu)槟撤N易于測量的其他能量形式，而功率計是簡便、準確地測量這些能量的儀器。

功率計配接功率探頭可對微波脈沖信號的平均功率、峰值功率、脈沖頂部幅度、脈沖底部幅度、脈沖過沖、脈沖傾斜度、脈沖上升時間、下降時間、脈沖寬度、脈沖周期、脈沖重復(fù)速率等多種參數(shù)進行準確測量分析，廣泛應(yīng)用于雷達、導(dǎo)航、制導(dǎo)、電子對抗、通訊等領(lǐng)域。

文章介紹了一種峰值功率探頭的部分電路設(shè)計思路。

1 探頭簡介

此峰值功率探頭為平衡雙二極管檢波方式，連接功率計主機測試范圍為-60～+20dB，主要由以下7個部分組成：①微波檢波部分；于前置放大；③觸發(fā)電路部分；④定時電路部分；⑤延遲電路部分；⑥取樣保持電路部分；⑦數(shù)字控制電路部分等。關(guān)系如圖1所示。

圖1 功能結(jié)構(gòu)框圖

2 關(guān)鍵電路

2.1 雙二極管檢波

為完成對信號的測試，首先需對輸入信號進行解調(diào)，峰值功率探頭選擇雙二極管檢波，二極管檢波器具有非線性的i-V特性，可利用整流將高頻能量轉(zhuǎn)換為直流。在數(shù)學(xué)上檢波二極管服從于二極管方程:

圖2 二極管檢波特性曲線

式中α=q/nkT，i是二極管電流，V是跨在二極管上的凈電壓；Is是二極管飽和電流，且在給定溫度下為常數(shù)，K是波爾茲曼常數(shù)；T是絕對溫度；q是電子電荷；而n是適應(yīng)實驗數(shù)據(jù)的修正常數(shù)。將上式寫成冪級數(shù)的形式：

對于典型的檢波二極管來說，其檢波特性一般可分為平方律區(qū)、過渡區(qū)和線性區(qū)。其平方律區(qū)處于從噪聲電平開始（一般可從-70dBm開始）一直延伸到-20dBm左右的這一段區(qū)域，在該區(qū)域，由式3-2輸出i（或V）正比于射頻輸出電壓的平方、即射頻輸入功率。從-20dBm到0dBm為過度區(qū)，0dBm以上為線性區(qū)，當輸入信號電平處于二極管的過渡區(qū)和線性區(qū)時，由功率計主機對探頭線性進行補償。

峰值探頭在設(shè)計過程中加入了-3dB衰減，這部分電路被設(shè)計在檢波之前，使得功率探頭最大測量功率可達到+23dB，提高了功率測量的最大值，加入-3dB衰減后，同時也提高了功率線性度，提高了阻抗匹配性能。

2.2 模擬通道與數(shù)字控制

（1）模擬通道。上面已經(jīng)介紹了微波部分檢波二極管的相關(guān)內(nèi)容，結(jié)合圖1，輸入信號經(jīng)過檢波后，檢波信號需在模擬通道完成各種處理。圖3是對信號在模擬通道中的信號時序設(shè)計思路：

圖3 通道電路時序

在圖3中可以清楚的看到各個信號節(jié)點的波形情況。前兩個就是經(jīng)檢波二極管檢波后得到的一正一負互為反向的直流信號，經(jīng)過前置放大、兩級延時放大后，進入整個電路的關(guān)鍵部分：跟蹤保持和采樣保持。

該部分電路在設(shè)計上由數(shù)字控制電路部分產(chǎn)生的兩個反向的控制信號來控制開關(guān)，已確保跟蹤或者采樣的執(zhí)行，跟蹤保持是在采樣保持之前被執(zhí)行的，跟蹤保持跟蹤信號并保持幾百微秒的時間，而采樣保持首先需要得到跟蹤保持的信號，然后保持該信號幾百毫秒。跟蹤保持和采樣保持過程是由電容的充電放電來完成的。

（2）數(shù)字控制部分。數(shù)字控制部分主要提供采樣控制信號、取樣延遲信號及存儲探頭等各種數(shù)字控制功能，包含一系列復(fù)雜的觸發(fā)電路、門電路、寄存器電路、計數(shù)器電路等。

圖 4 數(shù)字控制電路

數(shù)字板提供了有限的延時功能，延時范圍是約100ms。在內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)模式下，主機輸入一個串行數(shù)據(jù)信號通過觸發(fā)先產(chǎn)生一個“READY”（如圖4所示）信號來要求探頭開始采集，這一過程通過U8B觸發(fā)，上升沿有效，U8B是一個D觸發(fā)器，C蘊R端用于控制整個數(shù)字控制電路產(chǎn)生復(fù)位。收到這個“READY”產(chǎn)生的觸發(fā)信號后由U13將其鎖存和延時，同時它還提高了上升沿和下降沿的準確度，U12B是一個單穩(wěn)態(tài)多頻震蕩器，在時鐘上升沿時產(chǎn)生一個穩(wěn)定的寬脈沖信號，與U13延時后的信號共同來控制U3產(chǎn)生一個10MHz的時鐘，該時鐘用來控制計數(shù)器開始計數(shù)一直到“滿”為止，中間產(chǎn)生一個被延遲了的波形輸出信號，該信號被延時51μs，與輸出的控制信號進行比較，這樣計數(shù)的輸出被允許達到51μs的脈沖寬度，用來對計數(shù)器和產(chǎn)生采樣信號的觸發(fā)器進行復(fù)位控制。這時計數(shù)器被重新加載5μs，這段時間10MHz的時鐘暫時停止。觸發(fā)采樣和“READY”信號翻轉(zhuǎn)復(fù)位大約1μs。當時鐘正在運行時，U12B輸出的信號用來復(fù)位觸發(fā)循環(huán)過程。采樣開關(guān)輸出的SAMP與/SAMP信號是相反的，用來控制模擬通道部分中的跟蹤保持和采樣保持，這是我們最后需要的，SAMP的上升沿時跟蹤保持開，SAMP下降沿時跟蹤保持關(guān)而采樣保持開。采樣控制信號同時送數(shù)據(jù)給預(yù)置部分，產(chǎn)生穩(wěn)定脈沖信號來控制產(chǎn)生SAMP與/SAMP信號的觸發(fā)器清零端，預(yù)置部分是主要的針對于計數(shù)器的復(fù)位電路。

此峰值探頭集成度高，功能強大，穩(wěn)定性強、可靠性高，具有廣闊的應(yīng)用市場。

［1］ 劉永亮，李強，於瑩.新一代天氣雷達測試儀表使用解析［J］.氣象研究與應(yīng)用，2014，35（1）：94-96.

［2］ 廖長英.低頻模擬電路［M］.成都：成都電訊工程學(xué)院出版社，1988.