王耀磊　許國宏　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)通道激勵信號擁有嚴(yán)格的相位關(guān)系，根據(jù)需求設(shè)計了一種基于AD8302的多通道高精度幅度相位檢測模塊。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模塊具體設(shè)計，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)多路射頻輸入信號的相位差和幅度差的精確測量?，F(xiàn)場使用結(jié)果表明，幅相檢測模塊具有檢測精度高、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；相位差；相控陣?yán)走_(dá)；

中圖分類號：TN911.23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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)通道激勵信號相位關(guān)系精確可控。由于相控陣各天線單元之間的信號幅度與相位因?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，所以對各雷達(dá)通道幅相誤差的檢測與修正對相控陣系統(tǒng)來說就尤為重要。

傳統(tǒng)的數(shù)字或模擬幅度相位檢測方法電路復(fù)雜，易受干擾測量精度低，而且適用的頻率范圍窄，因此研究出一種電路簡單、測量精度高、測量頻帶寬的新型幅相檢測方法就具有很重要的意義。本文設(shè)計了一種基于AD8302的多通道高精度幅相檢測模塊，可精確測量相控陣?yán)走_(dá)各通道的射頻信號的幅度相位差，同時也可廣泛應(yīng)用于信號變換、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 幅度和相位測量的首款單片集成電路，它能同時測量從低頻到 2.7GHz 頻率范圍內(nèi)兩輸入信號之間的幅度比和相位差。AD8302 主要由精密匹配的兩個寬帶對數(shù)放大器、一個相位檢測器、輸出放大器組、一個偏置單元和一個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量主要是由于其內(nèi)部的兩個寬帶對數(shù)放大器，每一個寬帶對數(shù)放大器都由 6 個 10dB 增益級串聯(lián)而成，6 個增益級都帶有 7 個輔助濾波器，這樣的結(jié)構(gòu)使它具有的對數(shù)的壓縮功能，可以將寬頻帶的兩個輸入電壓變?yōu)檎瓗У姆重惪潭容敵觯瑥亩鴮?shí)現(xiàn)了對兩個輸入信號增益的測量。測量后的結(jié)果是將輸入信號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通過精密匹配的2個寬帶對數(shù)放大器來實(shí)現(xiàn)對2個輸入通道信號的幅度和相位測量，其幅度和相位測量方程式為：

3 幅相檢測模塊具體設(shè)計

本次設(shè)計的幅相檢測模塊功能是對相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射系統(tǒng)耦合回的多路射頻信號進(jìn)行幅度和相位檢測，通過檢測值調(diào)整激勵源，以確保激勵源輸出信號相位幅度的準(zhǔn)確性。幅相檢測模塊由總線接口部分、開關(guān)矩陣部分、幅相檢測部分、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換部分和時序控制部分組成，幅相檢測模塊組成如圖2所示。

多路射頻信號輸入模塊后由開關(guān)矩陣依次選通為待測信號，與DDS 經(jīng)放大、功分輸出的參考信號一起調(diào)理后直接送至幅相檢測芯片AD8302， AD8302將檢測所得幅度差及相位差電平由電子開關(guān)選擇后送至模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)轉(zhuǎn)換芯片分別對電平值進(jìn)行采樣，將所得數(shù)字信號送至FPGA中進(jìn)行處理，將結(jié)果通過總線送至主控模塊。

3.1 總線接口部分

幅相檢測模塊需要與主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，為滿足傳輸速率的要求，設(shè)計采用CPCI總線實(shí)現(xiàn)控制命令的下發(fā)和檢測數(shù)據(jù)上傳的功能。CPCI總線是目前兼容性最強(qiáng)、功能最全的計算機(jī)總線，但其總線規(guī)范復(fù)雜、時序要求嚴(yán)格、接口設(shè)計難度大，因此為了降低設(shè)計難度，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)計中，PCI9054采用PCI從模式，主控模塊作為主設(shè)備發(fā)起對本地總線的訪問，PCI9054請求占有本地總線完成數(shù)據(jù)傳輸功能[[4]]。

3.2 開關(guān)矩陣部分

開關(guān)矩陣電路用于實(shí)現(xiàn)對多路輸入信號以及自檢信號的選通，主要由多片射頻開關(guān)ADG904組成。ADG904為ADI公司推出的一款四選一射頻開關(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)計中，為了防止相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)各通道耦合回的信號幅度的突變，所以在輸入端加衰減網(wǎng)絡(luò)對信號幅度進(jìn)行衰減，以保證ADG904正常工作，ADG904電路連接如圖3所示。

3.3 幅相檢測部分

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

同時，根據(jù)AD8302用戶手冊可知其對在0°和180°附近檢測誤差較大，最大可達(dá)8°，而在90°附近誤差小于0.5°。因此，在本設(shè)計中引入一參考信號，通過控制參考信號移相，來解決AD8302二值性及誤差問題。設(shè)計采用頻率分辨率高的DDS芯片AD9852產(chǎn)生參考信號，在檢測相位時，首先測量輸入信號與參考信號相位差，然后控制AD9852使參考信號相位產(chǎn)生90°相移，再次測量相位差，對比兩次結(jié)果分析出輸入信號與參考信號相位關(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)置一個低功耗、高速、14位無失碼采樣ADC、一個內(nèi)部轉(zhuǎn)換時鐘和一個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)計中，采用3.3V供電，參考電壓選擇2.5V，以14位計算，其最小可測量電壓不到1mV，而AD8302的檢測精度分別為30mV/dB以及10mV/deg，可以滿足指標(biāo)要求，AD7942電路連接如圖4所示。

3.5 時序控制部分

時序控制部分為幅相檢測模塊提供了數(shù)據(jù)、地址的緩沖并產(chǎn)生各種控制信號，它主要由FPGA和檢測電路來實(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、激勵輸出及系統(tǒng)參考時鐘輸入信號的BIT檢測、開關(guān)矩陣及電子開關(guān)的選通控制等，同時從提高幅相檢測模塊準(zhǔn)確度和可靠性的角度考慮，設(shè)計FPGA還承擔(dān)著對幅相檢測數(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。檢測電路主要功能為對DDS輸出的參考信號進(jìn)行二極管檢波，當(dāng)有參考信號輸入時檢測電路輸出高電平給FPGA，從而FPGA判斷參考信號正常，反之亦然。

4 幅相檢測模塊的校準(zhǔn)

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

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，芯片的測量模式將工作在默認(rèn)的斜率和中心點(diǎn)上，精確幅度測量比例系數(shù)為30mV/dB，精確相位測量比例系數(shù)為10mV/度[[1]]。但根據(jù)實(shí)際測量可知，AD8302在不同頻率下幅相比例系數(shù)并不相同，所以設(shè)計校準(zhǔn)的方法為DDS輸出的參考信號經(jīng)功分一路作為參考信號直接進(jìn)入檢測芯片，另一路功分信號經(jīng)開關(guān)矩陣選通作為待測信號也進(jìn)入檢測芯片，由于兩路信號都是由DDS產(chǎn)生并功分，因此兩路信號存在著固定的相位關(guān)系，可由專業(yè)儀器例如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提前測量好存儲起來。同時，把整個測量頻段分為若干個小頻段，對兩信號幅相差進(jìn)行校準(zhǔn)測量，根據(jù)測量采樣電平值與真實(shí)幅度相位差值進(jìn)行比對計算出小頻段內(nèi)精確的幅相比例系數(shù)并存儲在FPGA中以便后續(xù)使用[[6]]。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于AD8302的幅相檢測模塊已經(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精度的措施，相位檢測精度可達(dá)到0.2°，幅度檢測精度可達(dá)到0.1 dB。實(shí)踐證明，利用AD8302進(jìn)行幅度和相位檢測電路簡單、測量精度高、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)：

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

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