李春玉

（中電科儀器儀表有限公司，安徽 蚌埠 233010）

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

測(cè)量微波功率的方法是多種多樣的，但大多數(shù)測(cè)量方法的實(shí)質(zhì)是在于首先將信號(hào)功率轉(zhuǎn)變?yōu)槟撤N易于測(cè)量的其他能量形式，而功率計(jì)是簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確地測(cè)量這些能量的儀器。

功率計(jì)配接功率探頭可對(duì)微波脈沖信號(hào)的平均功率、峰值功率、脈沖頂部幅度、脈沖底部幅度、脈沖過(guò)沖、脈沖傾斜度、脈沖上升時(shí)間、下降時(shí)間、脈沖寬度、脈沖周期、脈沖重復(fù)速率等多種參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量分析，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、導(dǎo)航、制導(dǎo)、電子對(duì)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(jì)思路。

1 探頭簡(jiǎn)介

此峰值功率探頭為平衡雙二極管檢波方式，連接功率計(jì)主機(jī)測(cè)試范圍為-60～+20dB，主要由以下7個(gè)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(shí)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(duì)信號(hào)的測(cè)試，首先需對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)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(duì)溫度；q是電子電荷；而n是適應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正常數(shù)。將上式寫(xiě)成冪級(jí)數(shù)的形式：

對(duì)于典型的檢波二極管來(lái)說(shuō)，其檢波特性一般可分為平方律區(qū)、過(guò)渡區(qū)和線性區(qū)。其平方律區(qū)處于從噪聲電平開(kāi)始（一般可從-70dBm開(kāi)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(guò)度區(qū)，0dBm以上為線性區(qū)，當(dāng)輸入信號(hào)電平處于二極管的過(guò)渡區(qū)和線性區(qū)時(shí)，由功率計(jì)主機(jī)對(duì)探頭線性進(jìn)行補(bǔ)償。

峰值探頭在設(shè)計(jì)過(guò)程中加入了-3dB衰減，這部分電路被設(shè)計(jì)在檢波之前，使得功率探頭最大測(cè)量功率可達(dá)到+23dB，提高了功率測(cè)量的最大值，加入-3dB衰減后，同時(shí)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(hào)經(jīng)過(guò)檢波后，檢波信號(hào)需在模擬通道完成各種處理。圖3是對(duì)信號(hào)在模擬通道中的信號(hào)時(shí)序設(shè)計(jì)思路：

圖3 通道電路時(shí)序

在圖3中可以清楚的看到各個(gè)信號(hào)節(jié)點(diǎn)的波形情況。前兩個(gè)就是經(jīng)檢波二極管檢波后得到的一正一負(fù)互為反向的直流信號(hào)，經(jīng)過(guò)前置放大、兩級(jí)延時(shí)放大后，進(jìn)入整個(gè)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(jì)上由數(shù)字控制電路部分產(chǎn)生的兩個(gè)反向的控制信號(hào)來(lái)控制開(kāi)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(hào)并保持幾百微秒的時(shí)間，而采樣保持首先需要得到跟蹤保持的信號(hào)，然后保持該信號(hào)幾百毫秒。跟蹤保持和采樣保持過(guò)程是由電容的充電放電來(lái)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(hào)、取樣延遲信號(hào)及存儲(chǔ)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(mén)電路、寄存器電路、計(jì)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(shí)功能，延時(shí)范圍是約100ms。在內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)模式下，主機(jī)輸入一個(gè)串行數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)觸發(fā)先產(chǎn)生一個(gè)“READY”（如圖4所示）信號(hào)來(lái)要求探頭開(kāi)始采集，這一過(guò)程通過(guò)U8B觸發(fā)，上升沿有效，U8B是一個(gè)D觸發(fā)器，C蘊(yùn)R端用于控制整個(gè)數(shù)字控制電路產(chǎn)生復(fù)位。收到這個(gè)“READY”產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)后由U13將其鎖存和延時(shí)，同時(shí)它還提高了上升沿和下降沿的準(zhǔn)確度，U12B是一個(gè)單穩(wěn)態(tài)多頻震蕩器，在時(shí)鐘上升沿時(shí)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的寬脈沖信號(hào)，與U13延時(shí)后的信號(hào)共同來(lái)控制U3產(chǎn)生一個(gè)10MHz的時(shí)鐘，該時(shí)鐘用來(lái)控制計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)一直到“滿”為止，中間產(chǎn)生一個(gè)被延遲了的波形輸出信號(hào)，該信號(hào)被延時(shí)51μs，與輸出的控制信號(hào)進(jìn)行比較，這樣計(jì)數(shù)的輸出被允許達(dá)到51μs的脈沖寬度，用來(lái)對(duì)計(jì)數(shù)器和產(chǎn)生采樣信號(hào)的觸發(fā)器進(jìn)行復(fù)位控制。這時(shí)計(jì)數(shù)器被重新加載5μs，這段時(shí)間10MHz的時(shí)鐘暫時(shí)停止。觸發(fā)采樣和“READY”信號(hào)翻轉(zhuǎn)復(fù)位大約1μs。當(dāng)時(shí)鐘正在運(yùn)行時(shí)，U12B輸出的信號(hào)用來(lái)復(fù)位觸發(fā)循環(huán)過(guò)程。采樣開(kāi)關(guān)輸出的SAMP與/SAMP信號(hào)是相反的，用來(lái)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(shí)跟蹤保持開(kāi)，SAMP下降沿時(shí)跟蹤保持關(guān)而采樣保持開(kāi)。采樣控制信號(hào)同時(shí)送數(shù)據(jù)給預(yù)置部分，產(chǎn)生穩(wěn)定脈沖信號(hào)來(lái)控制產(chǎn)生SAMP與/SAMP信號(hào)的觸發(fā)器清零端，預(yù)置部分是主要的針對(duì)于計(jì)數(shù)器的復(fù)位電路。

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

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

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