多波形射频功率测量技术

时间：2024-07-28

王中航, 许海涛, 谢明, 莫世波, 林春材

(成都天奥测控技术有限公司，四川成都 610054)

为了满足无线通信的需求，调制方式从最初的调幅、调频、调相等模拟调制向PSK、GMSK、QAM等数字调制发展，工作方式也从最初连续波或脉冲信号向跳频、扩频或跳扩频结合演进。而一个武器平台往往需要具备多种不同频段的通信方式来传送语音、数据、导航和敌我识别信号，因此在战场复杂环境下对武器平台这种多调制方式、多工作方式和不同输出功率的信号进行快速准确的功率测量往往有一定的难度。

测量功率一般可用中国电科41所或者是德科技的功率计来完成，例如是德科技的N1913A功率计可以达到±0.02 dB的测量精度，但工作温度范围只有0～55 ℃，而且如果要满足大功率或者大动态范围的测量，一般需要选择不同的功率传感器或者前端加衰减器。这种测试设备往往不能满足武器的现场维修需求，也不能适用现场严苛的环境。本文中的设备旨在为武器的现场检修和检测提供专用的功率测试设备。

周启明从手术室出来后，脸色惨白，浑身发抖，他睁开眼问她的第一句话是：“有没有整个切除？”钱海燕看着他满怀期待的眼神，哭得稀里哗啦。

国内有不少从业人员对功率测量进行过研究，文献[1]中对常见的几种功率检波方式的原理进行了介绍，但并没有实际的设计和测试结果。文献[2]中对常见的功率测量类型进行了介绍，分为平均功率、脉冲功率、峰值包络功率和有效值功率。文献[3]以AD8307为基础进行了电路设计，对不同输入频率时的功率-电压曲线进行了测试和分析，但没有具体的应用产品和形成实际的推广价值。

笔者以对数检波器理论为基础进行分析和设计，采用ADC对检波信号进行采样，以MCU和FPGA相结合的方式来完成不同调制类型的数据处理。在-40～65 ℃的工作温度范围内对测量链路进行了校准。经过试验，本文的功率测量设备可在复杂环境下满足武器平台的测量需求，具有重要的推广意义。

由于输入频率范围较宽，如果带内插入损耗波动较大或者回波损耗较差，会使校准数据量大幅增加。设计时应保证整个链路的插入损耗平坦，特别是不能出现凹坑，端口回波损耗控制在-15 dB以下。

1 对数检波原理

射频功率检测一般用射频功率检波器完成。从应用角度来说，检波器可以分为对数检波器、均方根检波器、包络检波器。对数检波器响应较快，动态范围大，但会受到峰均比的影响。均方根检波器不受调制信号峰均比的影响，但由于均方根检波器要对时间求均值，因此响应速度较慢。均方根检波器对低输入功率精度不高，动态范围小。包络/峰值检波器具有极快的响应速度，但动态范围较小。3种检波器的优缺点对比如表1所示。

表1 3种功率检波器性能对比

图1为一个典型的对数检波器的原理框图[4]，其核心是一系列级联的线性放大器，通常放大器的增益在10～20 dB。为了简化问题，以5级放大器级联为例，假设每个放大器的增益是20 dB。

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图1 对数检波器原理框图

一个小的正弦波信号输入到第1级放大器，将会被放大10倍(20 dB)。随着信号被逐级放大，最后一级会最先达到饱和或者限幅状态，形成限幅的波形。随着输入信号进一步增大，第4级、第3级也会先后进入饱和状态，在图1中假设所有放大器的限幅值为1 V。每一级放大器的输出信号都会经过全波整流器，整流的输出相加后得到4 V的峰值，输入到低通滤波器滤除整流后的纹波，就得到检波器的输出值。

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图2 对数检波器增益曲线

对数检波器的传输函数为[5]

Uo=Ks·Pin-Ks·b

整个测试设备的硬件分为主控模块、大功率调理模块和测量模块。本文着重介绍测量用到的几个核心模块。测量链路原理框图如图5所示。

表4列示了薪酬激励和股权激励对管理层能力与技术创新关系的调节作用回归结果。与全样本基本一致，无论是国有还是民营组，均很大程度上依赖工资薪酬的激励效应，股权激励影响依旧不明显。进一步比较影响系数发现，国有组高管薪酬的正向激励程度稍低于民营组，可能是因为，相比民营企业，在国有背景高新企业任职的管理者拥有更多形式的其他回报，如潜在的行政晋升激励以及隐形偿付等，因此在给定相同的激励机制条件下，国有企业的管理者可能不会热衷于需要较高成本的研发投资风险利益，验证了假设3b。

图3 对数检波器输出波形

从以上对数检波器的工作原理可以得出，对输入的恒包络射频信号将检出直流信号，对输入的变包络射频信号将检出交流信号。对变包络输入信号，用ADC采集交流电压信号后，进而计算功率最大值。

当5级放大器全部处于线性放大时，链路总增益最大，每当一级放大器进入饱和状态，总增益都会下降。级联的级数越多，得到的增益曲线就越逼近对数曲线，如图2所示。

2 系统设计

主控模块软件的功能是实现对单刀多掷开关、步进衰减器、ADC采样进行控制，完成采样数据处理、链路校准补偿，以及与上位机通信。每个功能块的作用简述如下。

需要注意的是，对数检波器是对输入信号的包络进行检波，因此对于不同的包络信号，对数检波器的输出也不相同。假设一个10 MHz的正弦波信号被一个100 kHz的三角波信号调制，采用对数检波后的波形如图3所示。可以看出，随着包络电平的改变，检波器的输出呈现出对数函数的形式。

系统的原理框图如图4所示。被测武器平台的不同频段输入信号功率差别较大，分两级进行功率调理，将输入信号功率调理至检波器的合理范围内。测量模块除了产生检波后的信号外，还需要产生触发信号和温度数据提供给主控模块。主控模块采用MCU+FPGA的方式，MCU主要负责数据计算和外部通信，FPGA主要负责控制、数据采集存储和数据预处理。

图4 系统框图

3 系统硬件设计

式中，Ks为对数检波器的斜率；Pin为输入信号功率；-Ks·b为截距，即输入为0时的输出值。

钱从哪里来，成了摆在林燕玲面前的一大难题。根据规划，项目建设需要将近500万元，但是他只有省里拨付的20万元和县里配套的20万元，可谓杯水车薪。

图5 测量链路原理框图

3.1 主控模块

采用MCU+FPGA的架构进行设计。MCU采用STM32系列的高端单片机实现，完成功率值的计算，同时通过RS422接口与上位机通信。MCU需要外扩Flash来存储误差修正参数。FPGA采用Xilinx公司的Spartan6系列器件，完成对功率调理模块内的单刀多掷开关控制、测量模块步进衰减器和ADC的采样控制和数据存储。FPGA还需要完成采样数据的预处理，将得到的电压信号发送给MCU计算功率值。ADC采用ADI公司的14-bit高速模数转换器LTC2313-14，确保在测量脉冲信号时能准确地采集到信号的幅值并满足动态范围的要求。

3.2 大功率调理模块

输入信号具有频段多、功率大、动态范围大的特点，同时本系统还需具备通联测试功能，因此使用大功率衰减器对每个频段的信号进行衰减。单刀多掷开关对信号进行分路，其中一路进入测量模块进行功率测量。

3.3 测量模块

测量模块主要由步进衰减器、射频开关、对数功率检波器、触发信号产生电路和温度采集电路组成。对数功率检波器采用ADI公司的HMC602LP4E，该检波器具有极好的温度稳定性、高达60 dB的动态范围和10 ns的快速响应时间，对本系统的多种输入信号都有较好的检波能力。触发信号产生电路主要用于界定采样时间。温度采集电路用于采集模块内的环境温度，以便于软件根据不同的环境温度对计算结果进行补偿。温度传感器应尽量靠近检波器放置。

测量模块实际输入信号功率范围为-25～20 dBm，频率范围为2～1300 MHz，校准时功率范围按-30～25 dBm、频率范围按2～1300 MHz进行校准。根据HMC602LP4E的器件手册，检波器的线性区在-55～5 dBm之间，链路插损设计为约21 dB，则可以保证到检波器输入端的功率落在线性区内。

1.2.1 甘薯黑斑病菌最佳产孢方法筛选。采用PDA平板接种活化后的黑斑病菌菌碟，将接种好的平板置于25 ℃恒温培养箱中培养5～ 6 d，采用30 mL无菌水洗涤平板表面孢子，纱布过滤去除菌丝后，测量孢子悬浮液中目镜10倍及物镜20倍显微镜下一个视野内孢子数，设置3个重复，每个重复制片3张。该方法设为对照组①。

臭氧作为一种强氧化剂，可以用来抑制或杀死多种病原菌，因此也可用于果蔬采后病害的防治。Sharpe等[24]研究了臭氧对灰霉菌的抑制作用，发现用6×10-7 mol/L的臭氧对灰霉菌处理48 h，气生菌丝长度由4.6 mm下降到1 mm，孢子的形成能力受到抑制，死亡率达到90%以上，显示出直接的杀菌能力。严德卿等[25]研究了臭氧对杨梅果实采后病害的影响，发现经过臭氧处理后好果率达到96.3%以上，明显高于未经处理的好果率(76.6%)。

4 系统软件设计

由于被测平台具有多个输入频段(如HF、UV、L波段)、多种调制方式(如AM、FM、BPSK、调制脉冲等)和多种工作方式(如跳频、扩频、跳扩频)，输入功率大且动态范围较高，因此对数检波器成为较好的选择。对数检波器一般仅适用于正弦波信号，对其他信号其容易受峰均比的影响造成误差，但误差往往表现为截距的上下偏移，应用时较容易进行修正。

① 大功率调理模块控制功能：根据上位机发来的开关切换指令控制单刀多掷开关动作以便在被测设备和测试设备之间建立信号通道。

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② 测量模块控制功能：根据上位机发来的控制指令控制步进衰减器将电平调理到合理的范围之内，控制内部的射频开关建立信号通道。

③ ADC控制和数据处理功能：控制ADC完成信号采集，并对数据进行存储和处理，计算得到输入信号的功率值；由于对数检波器对不同的调制信号的检波信号并不相同，对于恒包络信号，由采到的直流电压信号即可计算出功率值，而对于变包络信号，需要先对检波信号寻找最小电压值(对应功率最大值)再计算功率值。

④ 功率校准控制功能：根据上位机下发的校准命令对链路进行校准，拟合测量曲线，存储校准数据，完成误差修正。以合适的步进对频率、功率和温度进行分挡，挡位的划分以满足测量精度为原则，过度的分挡会造成校准数据量激增。在线性度较好的区域可以适当减少挡位，在非线性区则需要适当地增加挡位。

5 关键技术

5.1 误差修正技术

误差修正的主要任务是用一定方法补偿分离的仪器各组成环节的确定性系统误差[6]。本文中系统误差主要包括偏移误差、增益误差和温度漂移误差。偏移误差是指将仪器的射频信号输入端为0测得的零值电压。增益误差是指输入一个标准信号在不同的增益下，得出实际测试数据和理想输出数据的差异。偏移误差和增益误差均以一定频率步进进行测试和校正，将误差值存储在Flash中，进行误差修正。温度漂移误差是指在加温测试过程中仪器的测试数据与常温下的测试数据的差异[7]。以一定温度步进和频率步进进行测试和校正，将误差值存储在Flash中，进行误差修正。另外，还应考虑不同的调制信号会使对数检波器的输出发生垂直偏移，以及其他原因引起的误差(如阻抗失配带来的误差)[8]。

5.2 精确采样技术

被测信号中包含窄脉冲信号，如果系统采用连续采样的工作方式，那么对系统硬件的要求很高，导致成本上升。如果采用触发采样的工作方式，那么系统需要准确知道脉冲的出现和持续时间(或消失时间)，否则，ADC会采集到非真实的数据。本系统中采用触发采样的工作方式，以高速比较器来界定脉冲信号的有效时间。同时，尽量减小对数检波器的“拖尾”问题造成的影响也非常重要。

6 系统调测

6.1 误差修正

上位机控制标准信号源输出一定功率和频率的射频信号，同时将频率和功率值下发到MCU。FPGA计算得到检波电压信号后发送给MCU，每得到一组功率和电压值即是功率-电压坐标系的一个点(Pin,Uo)，两个点即可确定一条直线。只要线段足够多，即可精确地拟合功率-电压曲线，如图6所示。MCU需要将得到的多组功率值和电压值进行存储。同时，MCU还需要存储此时的温度值和频率值。

图6 直线近似曲线校准图

采用直线近似曲线的方法会导致误差，实际上有很多软件或算法可以实现曲线的直接拟合，从而得到曲线的系数，但用曲线直接拟合的方式往往对算法和编程要求较高，也有可能需要人为参与中间过程，效率较低。相比之下，直线近似的方式更容易实现自动化校准，同时也保证了精度。

6.2 多波形采样

输入信号的调制方式有AM、FM、BPSK等。当输入信号是连续波时，ADC采用较低的采样速率进行采样，降低系统的处理速度，节省功耗；当输入信号是脉冲信号时，ADC采用较高的采样速率进行采样，以防漏掉有用数据。

图7为AM调制信号的检波输出测试图，上面的曲线为AM检波信号，下面的曲线为ADC的采样时钟，调制信号频率为1 kHz，载波信号为150 MHz。如前所述，输入变包络信号时，检波信号会随着包络的变化而变化。

图7 AM信号检波电压

图8为脉冲信号的检波输出测试图，从上到下的曲线依次为脉冲检波信号、触发信号和ADC的采样时钟。脉冲宽度约为4 μs，脉冲周期约为12 μs，载波信号频率为1 GHz。可以看出，检波后的信号上升沿和下降沿时间约为1 μs，远高于HMC602LP4E器件手册上给出的10 ns。为了得到较为平滑的检波信号，在检波器电路和ADC之前都加入了滤波电路，以牺牲一定的延迟时间换取较低的纹波。

图8 脉冲信号检波电压