一種峰值功率探頭的設計

李春玉

（中電科儀器儀表有限公司，安徽 蚌埠 233010）

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

測量微波功率的方法是多種多樣的，但大多數(shù)測量方法的實質是在于首先將信號功率轉變?yōu)槟撤N易于測量的其他能量形式，而功率計是簡便、準確地測量這些能量的儀器。

功率計配接功率探頭可對微波脈沖信號的平均功率、峰值功率、脈沖頂部幅度、脈沖底部幅度、脈沖過沖、脈沖傾斜度、脈沖上升時間、下降時間、脈沖寬度、脈沖周期、脈沖重復速率等多種參數(shù)進行準確測量分析，廣泛應用于雷達、導航、制導、電子對抗、通訊等領域。

文章介紹了一種峰值功率探頭的部分電路設計思路。

1 探頭簡介

此峰值功率探頭為平衡雙二極管檢波方式，連接功率計主機測試范圍為-60～+20dB，主要由以下7個部分組成：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。關系如圖1所示。

圖1 功能結構框圖

2 關鍵電路

2.1 雙二極管檢波

為完成對信號的測試，首先需對輸入信號進行解調，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換為直流。在數(shù)學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是絕對溫度；q是電子電荷；而n是適應實驗數(shù)據(jù)的修正常數(shù)。將上式寫成冪級數(shù)的形式：

對于典型的檢波二極管來說，其檢波特性一般可分為平方律區(qū)、過渡區(qū)和線性區(qū)。其平方律區(qū)處于從噪聲電平開始（一般可從-70dBm開始）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為過度區(qū)，0dBm以上為線性區(qū)，當輸入信號電平處于二極管的過渡區(qū)和線性區(qū)時，由功率計主機對探頭線性進行補償。

峰值探頭在設計過程中加入了-3dB衰減，這部分電路被設計在檢波之前，使得功率探頭最大測量功率可達到+23dB，提高了功率測量的最大值，加入-3dB衰減后，同時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。上面已經介紹了微波部分檢波二極管的相關內容，結合圖1，輸入信號經過檢波后，檢波信號需在模擬通道完成各種處理。圖3是對信號在模擬通道中的信號時序設計思路：

圖3 通道電路時序

在圖3中可以清楚的看到各個信號節(jié)點的波形情況。前兩個就是經檢波二極管檢波后得到的一正一負互為反向的直流信號，經過前置放大、兩級延時放大后，進入整個電路的關鍵部分：跟蹤保持和采樣保持。

該部分電路在設計上由數(shù)字控制電路部分產生的兩個反向的控制信號來控制開關，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，跟蹤保持跟蹤信號并保持幾百微秒的時間，而采樣保持首先需要得到跟蹤保持的信號，然后保持該信號幾百毫秒。跟蹤保持和采樣保持過程是由電容的充電放電來完成的。

（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、取樣延遲信號及存儲探頭等各種數(shù)字控制功能，包含一系列復雜的觸發(fā)電路、門電路、寄存器電路、計數(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功能，延時范圍是約100ms。在內觸發(fā)和外觸發(fā)模式下，主機輸入一個串行數(shù)據(jù)信號通過觸發(fā)先產生一個“READY”（如圖4所示）信號來要求探頭開始采集，這一過程通過U8B觸發(fā)，上升沿有效，U8B是一個D觸發(fā)器，C蘊R端用于控制整個數(shù)字控制電路產生復位。收到這個“READY”產生的觸發(fā)信號后由U13將其鎖存和延時，同時它還提高了上升沿和下降沿的準確度，U12B是一個單穩(wěn)態(tài)多頻震蕩器，在時鐘上升沿時產生一個穩(wěn)定的寬脈沖信號，與U13延時后的信號共同來控制U3產生一個10MHz的時鐘，該時鐘用來控制計數(shù)器開始計數(shù)一直到“滿”為止，中間產生一個被延遲了的波形輸出信號，該信號被延時51μs，與輸出的控制信號進行比較，這樣計數(shù)的輸出被允許達到51μs的脈沖寬度，用來對計數(shù)器和產生采樣信號的觸發(fā)器進行復位控制。這時計數(shù)器被重新加載5μs，這段時間10MHz的時鐘暫時停止。觸發(fā)采樣和“READY”信號翻轉復位大約1μs。當時鐘正在運行時，U12B輸出的信號用來復位觸發(fā)循環(huán)過程。采樣開關輸出的SAMP與/SAMP信號是相反的，用來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的上升沿時跟蹤保持開，SAMP下降沿時跟蹤保持關而采樣保持開。采樣控制信號同時送數(shù)據(jù)給預置部分，產生穩(wěn)定脈沖信號來控制產生SAMP與/SAMP信號的觸發(fā)器清零端，預置部分是主要的針對于計數(shù)器的復位電路。

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

［1］ 劉永亮，李強，於瑩.新一代天氣雷達測試儀表使用解析［J］.氣象研究與應用，2014，35（1）：94-96.

［2］ 廖長英.低頻模擬電路［M］.成都：成都電訊工程學院出版社，1988.