一種便攜式射頻功率測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

吳 維，王亞?wèn)|

（北京敏視達(dá)雷達(dá)有限公司，北京 100094）

射頻功率是表示射頻信號(hào)強(qiáng)弱的物理量。在氣象雷達(dá)日常維修維護(hù)中，功率測(cè)試非常重要。目前廣泛使用的射頻功率測(cè)量設(shè)備是射頻功率計(jì)，如安立ML2496A、羅德與施瓦茨NRP2、安捷倫N1911A等，在氣象雷達(dá)日常維修維護(hù)的測(cè)試中，存在諸多不足：1）不適合隨身攜帶，不利于翻山越嶺、披荊斬棘或爬上爬下；2）雷達(dá)天線罩內(nèi)或天線陣下缺少或沒(méi)有交流電供電，這些儀表“巧婦難為無(wú)米之炊”；3）這些昂貴的功率計(jì)在實(shí)際使用中往往“大材小用”“性價(jià)比”偏低。雷達(dá)基站和一線維修維護(hù)人員希望有一款輕便好用又實(shí)惠的射頻功率測(cè)量設(shè)備。

1 目前常用射頻功率測(cè)量設(shè)備介紹

目前廣泛使用射頻功率計(jì)測(cè)量射頻功率，圖1為安立公司ML2496A型射頻功率計(jì)及其功率探頭。

圖1 ML2496A型射頻功率計(jì)及其功率探頭Fig.1 ML2496A RF Power meter and its power probe

作為一款通用型產(chǎn)品，該功率計(jì)頻率覆蓋范圍從100KHz～65GHz，動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍從-70dBm～+20dBm，支持連續(xù)波、射頻脈沖信號(hào)及調(diào)制射頻信號(hào)的測(cè)量[1]。在研發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，這樣一款功率計(jì)能提供面面俱到的測(cè)量能力，但在氣象雷達(dá)日常維修維護(hù)領(lǐng)域，往往做不到物盡其用，并且其4公斤左右的重量，需要交流電供電的特性，以及昂貴的價(jià)格和使用成本，都不適合隨身攜帶及野外使用。

2 針對(duì)氣象雷達(dá)的便攜式射頻功率測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

在氣象雷達(dá)日常維修維護(hù)中，“全能型”儀表并不是剛性需求。例如某雷達(dá)發(fā)射機(jī)輸入輸出功率測(cè)試，只要能準(zhǔn)確測(cè)量1.29GHz頻率下的功率數(shù)據(jù)即可，并不需要高達(dá)65GHz的頻率測(cè)量范圍，也不需要90dB的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍[2]。對(duì)于雷達(dá)基站和一線維修維護(hù)人員而言，功率測(cè)量設(shè)備的便攜性、易用性、經(jīng)濟(jì)性也很重要。針對(duì)中國(guó)氣象局常用氣象雷達(dá)所覆蓋的P/L/S頻段及相關(guān)待測(cè)信號(hào)特點(diǎn)，專門設(shè)計(jì)了一款便攜式射頻功率測(cè)量模塊，其主要指標(biāo)參數(shù)如下：

1）頻率測(cè)量范圍：10MHz～8GHz

2）功率測(cè)量范圍：-30dBm～10dBm

3）測(cè)量精度：±1.5dB

4）輸入阻抗：50Ω

5）射頻接口：SMA

2.1 射頻功率測(cè)量模塊硬件電路設(shè)計(jì)

射頻功率測(cè)量模塊硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

功率傳感器模塊ZX47-40+將射頻功率轉(zhuǎn)化為直流電壓，通過(guò)采樣保持電路送到STM32L4。該芯片對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行采樣，參考待測(cè)信號(hào)頻率選擇結(jié)果及環(huán)境溫度查表并計(jì)算得到功率信息，顯示在LED屏上。整個(gè)模塊由電池供電，電路內(nèi)部又劃分出數(shù)字電源和低噪聲模擬電源兩種電源。

2.1.1 射頻功率傳感器部分

圖2 功率計(jì)硬件總體設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Hardware overall design block diagram of power meter

圖3 輸入信號(hào)功率與輸出電壓曲線Fig.3 Input signal power and output voltage curve

圖4 輸入信號(hào)頻率與駐波特性曲線Fig.4 Input signal frequency and standing wave characteristic curve

射頻功率傳感器可將射頻功率轉(zhuǎn)化為直流電壓，采用MINI公司的專用射頻功率模塊ZX47-40+。該模塊主要特性如圖3～圖6所示[3]。

從圖3可以看出，模塊ZX47-40+在射頻信號(hào)輸入功率范圍為-30dBm～10dBm這個(gè)區(qū)間內(nèi)，輸出電壓具有良好的線性度。從圖4可以看出，不同頻率的輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)不同的輸入駐波比，在實(shí)際測(cè)量時(shí)需要對(duì)最終結(jié)果做一定補(bǔ)償。從圖5可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)功率為-30dBm時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)射頻信號(hào)功率對(duì)應(yīng)的輸出電壓有輕微影響，可以考慮進(jìn)行溫度補(bǔ)償[4]。從圖6可以看出，模塊ZX47-40+自帶溫度傳感器，同時(shí)溫度傳感器輸出電壓和實(shí)際溫度成正比例，這為獲取溫度數(shù)據(jù)提供了便利。

圖5 輸出電壓與溫度特性曲線Fig.5 Output voltage and temperature characteristic curve

圖6 溫度輸出特性曲線Fig.6 Temperature output characteristic curve

圖7 跨導(dǎo)峰值保持電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of the cross-guided peak retention circuit

2.1.2 高速脈沖信號(hào)采樣保持部分

高速脈沖信號(hào)與慢速A/D變換器之間，需要峰值采樣保持電路。普通運(yùn)放峰值保持電路性能較差，這里采用跨導(dǎo)型運(yùn)放的峰值保持電路，原理圖如圖7所示[5]。

其中，MAX436EPD為寬帶高速跨導(dǎo)運(yùn)算放大器，D5是1N4148，為高速開(kāi)關(guān)二極管，C73為100pF的保持電容，THS4631D為FET輸入型運(yùn)放，接成跟隨器形式。

2.1.3 供電部分

射頻功率測(cè)量模塊采用9V電池供電，一方面提高了設(shè)備適應(yīng)能力，改善了便攜性；另一方面，電池可以近似認(rèn)為是一種理想直流電源[6]。和采用交流電供電的開(kāi)關(guān)電源相比，電池電壓波動(dòng)小、噪聲低，有助于獲得更高的測(cè)量精度[7]。針對(duì)模塊中的射頻模擬部分和數(shù)字電路部分，分別采取了低噪聲模擬電源和低噪聲數(shù)字電源。

2.1.4 其它功能部分

射頻功率測(cè)量模塊功率信號(hào)和溫度信號(hào)A/D采樣、屏幕顯示、頻率選擇等部分全部圍繞核心芯片STM32L4展開(kāi)。該芯片基于CORTEX-M4內(nèi)核，擁有豐富外設(shè)及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)支持超低功耗特性[8]。該芯片利用GPIO接口讀取頻率選擇開(kāi)關(guān)設(shè)定，利用內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換單元將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行查表及運(yùn)算，再通過(guò)USART與外部LED屏幕相連，顯示最終結(jié)果?；趶?qiáng)大的STM32L4芯片，各功能單元電路簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊。

2.2 射頻功率測(cè)量模塊軟件設(shè)計(jì)

射頻功率測(cè)量模塊軟件流程圖如圖8所示。

基于測(cè)量精度的考慮，射頻功率測(cè)量模塊推薦的輸入信號(hào)功率范圍是-30dBm～10dBm，并不是射頻功率傳感器模塊ZX47-40+支持的-50dBm～20dBm。處于推薦功率范圍內(nèi)的信號(hào)，射頻功率測(cè)量模塊會(huì)給出測(cè)量后的結(jié)果，超出推薦功率范圍外的信號(hào)，射頻功率測(cè)量模塊會(huì)提示輸入信號(hào)功率超限，并顯示上限超限或下限超限。對(duì)處于ZX47-40+可測(cè)量功率范圍外的信號(hào)，需要通過(guò)衰減、耦合或放大等措施，先將待測(cè)信號(hào)調(diào)整到允許測(cè)量區(qū)間內(nèi)，再進(jìn)行測(cè)試。射頻功率測(cè)量模塊在輸入信號(hào)功率范圍-30dBm～-10dBm區(qū)間內(nèi)，擁有最高的測(cè)量精度。

表1 射頻連續(xù)波信號(hào)測(cè)試Table 1 RF Continuous wave signal testing

表2 射頻脈沖信號(hào)測(cè)試Table 2 RF Pulse signal testing

圖8 射頻功率測(cè)量模塊軟件流程圖Fig.8 RF Power measurement module software flowchart

3 射頻功率測(cè)量模塊測(cè)試及精度提高方法

3.1 射頻功率測(cè)量模塊測(cè)試

為驗(yàn)證射頻功率測(cè)量模塊讀數(shù)的準(zhǔn)確性，利用射頻信號(hào)源輸出特定信號(hào)提供給射頻功率測(cè)量模塊，對(duì)比測(cè)量結(jié)果與設(shè)定值之間的誤差。分別進(jìn)行射頻連續(xù)波信號(hào)和射頻脈沖信號(hào)測(cè)試，脈沖寬度取1us和10us兩種規(guī)格，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2。

從表1、表2可以看到，射頻功率測(cè)量模塊的數(shù)據(jù)誤差均在±1.5dB以內(nèi)，滿足氣象雷達(dá)日常維修維護(hù)使用需求。

3.2 實(shí)際應(yīng)用時(shí)提高測(cè)量精度的方法

為提高射頻功率測(cè)量模塊的精度，已經(jīng)在硬件電路上采取了很多措施，如電源去耦、隔離供電、合理布局、合理布線、殼體屏蔽等[9]。軟件上，也加入了數(shù)字濾波、誤差補(bǔ)償、非線性區(qū)間曲線擬合等措施[10]。在實(shí)際使用中，針對(duì)經(jīng)常要測(cè)量的信號(hào)，為提高精度，可以建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。譬如在模塊調(diào)試時(shí)，針對(duì)某一待測(cè)信號(hào)，先編號(hào)，再用射頻信號(hào)源模擬出不同功率的此信號(hào)，輸入功率測(cè)量模塊并讀數(shù)，建立該待測(cè)信號(hào)直流電壓測(cè)量值與信號(hào)實(shí)際功率的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表。實(shí)際測(cè)量時(shí)，通過(guò)待測(cè)信號(hào)頻率選擇開(kāi)關(guān)告知電路板此信號(hào)編號(hào)，電路板就會(huì)在測(cè)量完畢后調(diào)用此信號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表，查找并計(jì)算出這個(gè)信號(hào)的功率。調(diào)試時(shí)數(shù)據(jù)表建立的越詳細(xì)，實(shí)際測(cè)量時(shí)精度越高。可以針對(duì)不同待測(cè)信號(hào)建立不同的數(shù)據(jù)表，形成數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 小結(jié)

和動(dòng)輒幾萬(wàn)、十幾萬(wàn)的國(guó)外射頻功率計(jì)相比，本射頻功率測(cè)量模塊小巧輕便，成本低廉，滿足氣象雷達(dá)日常維修維護(hù)測(cè)量精度要求。實(shí)際使用中，受到了一線維修維護(hù)人員的肯定。相同的思路，通過(guò)更換功率傳感器，譬如將ZX47-40+模塊更換為ADI公司的ADL5906電路，本射頻功率測(cè)量模塊還可以拓展更寬的頻率測(cè)量范圍，實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。