凌立偉 向新 李彥博

(空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院,陜西 西安 710038)

中長波小信號功率駐波表設(shè)計與制作

凌立偉 向新 李彥博

(空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院,陜西 西安 710038)

針對用于中長波測量的功率駐波表較少,且一般的駐波表對小信號檢測的準(zhǔn)確度低等一系列問題,設(shè)計了一個用于中長波小信號測量的功率駐波表。該表通過運(yùn)用串聯(lián)匹配定向耦合電路、反饋式峰值檢波電路及信號運(yùn)算電路,使得工作頻率降低,并大大提高了小信號檢測的準(zhǔn)確性。經(jīng)過測試表明,該表準(zhǔn)確度高,操作簡單,效果甚佳。

無線通信 功率駐波表 中長波 小信號 峰值檢波

0 引言

對于天線工作者來說,駐波表是一件必備的工具,通常用于連接天線與發(fā)信機(jī)[1]。在進(jìn)行信號發(fā)射時,選定工作頻率后,最關(guān)心的是現(xiàn)在的工作狀態(tài)是否正常,駐波比是多少,有多少功率進(jìn)行了有效發(fā)射。如果駐波比過大,則意味著有很大一部分的功率將被反射回來,這不僅使天線的工作效率變低,甚至?xí)拱l(fā)射機(jī)末級損壞[2]。但是,絕大多數(shù)駐波表適用于高頻、甚高頻,一般工作在1.8～54 MHz頻段,很難找到一種適用于中低頻段的小信號功率駐波表。當(dāng)然,有一些專業(yè)的設(shè)備可以做到這一點(diǎn),比如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,但是這些儀器價格昂貴,體積大且較重,不易攜帶。

本文設(shè)計的長波小信號便攜式功率駐波表的工作頻率范圍為0.1～30 MHz,工作功率范圍為0.5～100 W,測量誤差為±5%,適合隨身攜帶,特別適用于移動通信。

1 整體結(jié)構(gòu)

中長波小信號功率駐波表主要包括四個部分:串聯(lián)匹配定向耦合電路、反饋式峰值檢波電路、信號處理和顯示電路[3]以及電源管理電路,如圖1所示。

圖1 駐波表的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The whole structure of power standing wave meter

2 電路類型設(shè)計

2.1 定向耦合電路設(shè)計

定向耦合器[4]對特定方向的取樣量,即耦合系數(shù),應(yīng)該在使用頻率范圍內(nèi)是平坦的,并且定向耦合器的插入損耗要小,以至于發(fā)射功率不會從輸入端到輸出端產(chǎn)生大數(shù)量的減少。定向耦合器的方向性也是一個重要的指標(biāo),它表示定向耦合器對非取樣方向的不敏感程度。

定向耦合器主要有兩種類型:一種是利用分布參數(shù)電路的微帶線(microstripline)方式;另一種是由集總參數(shù)組件組成的電橋方式。串聯(lián)匹配定向耦合電路屬于由集總參數(shù)組件組成的電橋方式,它適合工作在高頻及以下頻段。由串聯(lián)匹配定向耦合電路制成的功率駐波表容易校準(zhǔn),如圖2所示。經(jīng)過對串聯(lián)匹配式定向耦合電路的大量測試后,此耦合電路的工作頻率范圍為0.1～30 MHz,在這個范圍內(nèi)插入損耗小于0.1 dB。在0.1～30 MHz范圍內(nèi),耦合系數(shù)的波動幅度在0.1 dB以內(nèi),方向性系數(shù)在0.1～30 MHz范圍內(nèi)超過40 dB。

圖2 串聯(lián)匹配定向耦合電路Fig.2 The tandem matching directional coupling circuit

串聯(lián)匹配定向耦合電路的工作原理如下所述。

傳輸線上的電壓與電流關(guān)系[5]為:

式中:U為傳輸線上的電壓;U入為入射電壓;U反為反射電壓;I為傳輸線上的電流;I入為入射電流;I反為反射電流。

傳輸線上各點(diǎn)的阻抗Z是處處相等的,即:

T1為電流互感器,次級電流為:

式中:N1為感應(yīng)磁環(huán)T1的圈數(shù)。

電阻上的分壓為:

T2為電壓互感器,其感應(yīng)電壓為:

式中:N2為感應(yīng)磁環(huán)T2的圈數(shù)。

當(dāng)電橋平衡時,R上的電壓與T2的感應(yīng)電壓相等而抵消,即平衡條件為:

假如選擇N1=N2,則R=Z。即如果設(shè)計測量阻抗[6]為50 Ω的駐波表,只需將R設(shè)置為50 Ω;如果需要使用測量阻抗為75 Ω的儀表,只需將R改為75 Ω的電阻。

由圖2可知:

將式(2)、式(3)代入式(9)得:

則定向耦合電路兩端分別得到了正向信號和反射信號。

2.2 反饋式峰值檢波電路設(shè)計

絕大多數(shù)的駐波表只是用一個鍺二極管作為檢波器,因?yàn)殒N二極管相對于硅二極管來說,它的正向?qū)▔航敌?。但?對于小功率信號檢測來說,這個正向?qū)▔航凳遣豢珊鲆暤?。有的駐波表在進(jìn)行信號處理時將該壓降代數(shù)加到結(jié)果中去,但是這樣的駐波表測量仍然不準(zhǔn)確。這是因?yàn)槎O管的非線性對小功率信號檢測時的影響遠(yuǎn)大于對大功率信號檢測時的影響,在這種情況下,檢測出的正向功率與反向功率的比值偏大[4]。為改善上述情況,設(shè)計出了補(bǔ)償式峰值檢波電路,如圖3所示。

圖3 補(bǔ)償式峰值檢波電路Fig.3 The compensation type peak detector circuit

在補(bǔ)償式峰值檢波電路中,二極管D1和D2必須是相同的,這樣才能保證當(dāng)同一個量級的峰值電流流過二極管時,兩個二極管所產(chǎn)生的壓降最大程度的相等。

對于第一個運(yùn)放U1A有:

在同相放大電路中,輸出通過負(fù)反饋的作用,使U+自動地跟蹤U-,使U+≈U-,這種現(xiàn)象為虛假短路。根據(jù)虛短概念,可得:

由于二極管D1和D2是相同的一對,所以電路中有:

由式(15)可以推導(dǎo)出:

補(bǔ)償式峰值檢波電路原理圖如圖4所示。

圖4 補(bǔ)償式峰值檢波電路的原理圖Fig.4 The schematic diagram of compensation type peak detector circuit

2.3 信號處理與顯示電路設(shè)計

信號處理與顯示電路的原理圖如圖5所示。

圖5 信號處理與顯示電路的原理圖Fig.5 The schematic diagram of signal processing and display circuits

信號處理電路主要是將定向耦合器獲得的正向電壓和反向電壓,通過運(yùn)算放大器進(jìn)行放大或縮小,然后完成駐波比SWR=Umax/Umin=(U反+U入)/(U反-U入)的運(yùn)算過程。該信號處理電路和顯示電路能夠直接計算并即刻顯示天線上的駐波比,方便天線匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整。

駐波表中信號處理電路的核心部分是運(yùn)用三極管與運(yùn)算放大器搭建模擬對數(shù)與指數(shù)電路,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行電路修改,制成加法器、減法器及除法器,最后完成駐波比SWR的計算。

駐波表實(shí)際信號處理過程是SWR=Umax/Umin= (GU反+GU入)/(GU反-GU入)。在進(jìn)行加、減及除法運(yùn)算前,加了一級運(yùn)算放大電路,這樣可以擴(kuò)展該駐波表的工作信號功率范圍。

本應(yīng)用中的顯示電路與普通的顯示電路并無差異,均通過電阻與電流表串聯(lián)連接來顯示電壓值,通過電壓值與駐波表的對應(yīng)關(guān)系讀出此時的駐波比。駐波表采用的是數(shù)字電流表,為了方便讀數(shù),將駐波比與電壓表的比例設(shè)置為1∶1,即電壓為1 V,駐波比即為1,電壓為5 V,駐波比即為5。

2.4 電源電路設(shè)計

駐波表中電源供給為由+18 V的蓄電池通過倍壓器來轉(zhuǎn)換為芯片需要的電壓+15 V和±2.5 V。供電模式分為兩種,一種是永不斷電模式,另一種是自動斷電模式。自動斷電模式就是當(dāng)正向功率大于設(shè)定的功率時,電源模塊開始供電;當(dāng)正向功率小于設(shè)定的功率時,電源停止供電,節(jié)省電量。本電路中設(shè)定的功率為0.5 W。電源電路原理圖如圖6所示。

圖6 電源電路原理圖Fig.6 The schematic diagram of power supply circuit

3 駐波表的制作與校準(zhǔn)

3.1 駐波表的制作

射頻級別的儀器一定要注意細(xì)節(jié),比如射頻線要盡量短,電路接地要好。以下幾個地方需要特別注意。

①定向耦合電路必須加屏蔽,否則射頻信號會干擾到運(yùn)算放大器,造成儀表準(zhǔn)確性降低;

②定向耦合電路中的兩個耦合磁環(huán)必須分隔開;

③檢波電路和信號處理電路的接地要相互分開;

④檢波電路和補(bǔ)償電路中的二極管必須是相同的一對[7],其余的部分按照電路圖制作即可。

3.2 駐波表的校準(zhǔn)

定向駐波表的校準(zhǔn)只需要一個精準(zhǔn)的電壓表就可完成。具體校準(zhǔn)操作步驟如下(各連接點(diǎn)已經(jīng)在圖4、圖5、圖6中進(jìn)行了標(biāo)注)。

①將工作模式調(diào)制調(diào)諧模式,并且功率范圍開關(guān)調(diào)到10 W滿盤功率處;

②連接TP7和TP8,打開儀表的電源;

③連接TP1、TP2,調(diào)整電阻R1,使TP3處的電源為0;

④連接TP4、TP5,調(diào)整電阻R2,使TP6處的電源為0;

⑤調(diào)節(jié)電阻R5,使TP9處的電壓為5 V;

⑥調(diào)節(jié)功率范圍選擇開關(guān)到最合適的檔位;

⑦斷開TP1和TP2以及TP4和TP5;

⑧調(diào)整電阻R1,使TP3處的電壓為0;

⑨調(diào)整電阻R2,使TP6處的電壓為0;

⑩斷開TP7和TP8。

以上10個步驟即是整個校準(zhǔn)過程。經(jīng)過校準(zhǔn)后,該駐波表的準(zhǔn)確度和昂貴的實(shí)驗(yàn)室專業(yè)設(shè)備矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀基本相同。

3.3 準(zhǔn)確性

駐波表的準(zhǔn)確性測試是通過羅德與施瓦茨矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(ZVL6)[8-9]來完成的,測量頻率為0.5 MHz,功率為2 W。駐波表的測量誤差如圖7所示。

圖7 駐波表測量誤差Fig.7 The measurement error of power standing wave meter

通過圖7的測量誤差可以看出,在駐波比為1～5的范圍內(nèi),測量誤差僅為±5%。

4 結(jié)束語

駐波表采用串聯(lián)匹配定向耦合電路,使工作頻率下限延伸到0.1 MHz;采用帶有反饋式補(bǔ)償電路的峰值檢波電路,使工作功率下限延伸到0.5 W,并大大減小了二極管的非線性對小信號測量的影響,提高了準(zhǔn)確度。采用三極管指數(shù)與對數(shù)電路,使駐波比可以直接線性顯示,并且儀表最終的測量誤差在工作范圍內(nèi),僅為±5%。所以該駐波表可以測量中長波小功率信號,且準(zhǔn)確度完全符合實(shí)際使用的要求。

[1] 周朝棟,王元坤,周良明.線天線理論與工程[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1988:20-29.

[2] 李莉.天線與電波傳播[M].北京:科學(xué)出版社,2009:151-152.

[3] 王清華.功率駐波表的原理與制作[J].電子制作,2004,6(12): 45-47.

[4] 馮恩信.電磁場與電磁波[M].西安:西安交通大學(xué)出版社, 2006:29-41,45-52.

[5] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2007:74-82.

[6] 康行健.天線原理與設(shè)計[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 1993:91-112.

[7] 張志.射頻電源自動阻抗匹配器的開發(fā)和實(shí)驗(yàn)研究[D].沈陽:東北大學(xué),2008.

[8] 胡蔚星.射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理和使用方法[J].有線電視技術(shù),2005(3):67-70.

[9] 朱偉,韓曉東.矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中的電子校準(zhǔn)技術(shù)[J].理論與方法,2010,29(8):20-22.

Design and Fabrication of the Power Standing Wave Meter for Medium and Long Wave Small Signals

There are rare power standing wave meters can be used for medium and long wave measurement,and the general standing wave meters offer low accuracy in detection of small signals,thus the power standing wave meter suitable for measurement of medium and long wave small signals has been designed.By adopting tandem matching directional coupling circuit,feedback type peak value detecting circuit and signal operation circuit,the operating frequency becomes lower and the accuracy for small signal detection is greatly increased.The tests indicate that the meter is precise,easy to operate and with excellent effects.

Wireless communication Power standing wave meter Medium and long wave Small signal Peak value detection

TN929+.4

A

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(編號:2009JM8001-4);

航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號:20095596014)。

修改稿收到日期:2013-11-19。

凌立偉(1989-),男,現(xiàn)為空軍工程大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事寬帶通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的研究。