微波功率測量中的小信號檢測研究

侯寶森

摘 ?要：微波在人類生產生活中運用越來越廣，對于它的測量要求也越來越精準。該文針對微波小信號檢測敏銳度不達標的情況，提出改進方案，并簡要介紹了微波功率測量中小信號檢測的方法，從而給出一種提升微波小信號檢測敏感度、提高檢測質量的微波功率測量儀優化設計方案。該方案經多次實驗，小信號檢測效果良好，可作為儀器優化的首選。

關鍵詞：微波功率檢測 ?小信號 ?電路設計

中圖分類號：TM933.3;TN911.23 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（a）-0016-02

主流的微波功率測量儀的核心元件一般為微波二極管，可基本滿足微波測量對速度、測量范圍的要求。但這種測量方式也存在一定的弊端，由于輸出電壓過低，導致小信號很容易被噪音埋沒，微波小信號的檢測靈敏度達不到相關測量活動的要求。需要提出一種儀器優化設計方案，解決小信號測量精度不夠的問題。

1 ?微波功率測量中的小信號檢測

微波描述的是頻率處于某一波段的電磁波，其頻率在300MHz～300GHz的較高波段，長度介于1～1000mm之間。微波又可被進一步劃分為分米微波、厘米微波和毫米微波，相較于一般的電磁波，微波的頻率更高，具有穿透性強、似光、非電離等優點。在生產生活中，微波常被用于醫療、通信、雷達等技術領域。由于其適用范圍之廣，因此微波的測量工作被高度重視。功率即是微波測量中最重要的一項目標參數。微波信號的檢測通過專門的儀器來完成，分為直接測量和間接測量兩種形式。其中，最為常用的是直接測量中的諧振器測量法，該研究的電路優化設計方案也針對該方法。諧振器測量法采用微波諧振腔，頻率可調，當諧振腔的頻率與被檢測微波的頻率相等時腔內發生共振將信號擴大，對應的檢波器上會將微波的頻率顯示成圖像的變化，通過測算即可獲得被檢測微波的頻率[1]。但在實際測量過程中，微波頻率信號往往較弱，也就是說小信號檢測的情況經常出現。微波功率的大小可通過檢測儀直接獲得，原理是對微波進行耦合處理，將其轉化為熱能，這種熱能會以電動勢的形式表現在系統電路中。再通過測量電動勢的元件獲取電動勢大小，進一步計算出微波的功率。在檢測中，還可應用隔離器、衰減器等設備提高檢測的精度。

2 ?微波功率測量中的小信號檢測的影響因素

在微波功率測量小信號檢測中，影響測量精度及靈敏度的最主要因素為噪音，這種噪音可能來自1/f、PN節點等不可消除的部分，也可能來自電位差噪音等干擾。在電子系統內部，任何做功的元件都可能成為噪音的來源，其中固有噪音很難利用其他手段進行控制，通過電路本身及元器件性能的優化可盡力降低固有噪音的發出程度。例如，產生1/f噪音一個主要原因就是系統內元件間存在接觸不良的情況，這種噪音即可通過系統優化進行控制。而對于干擾性噪音來說，對小信號檢測最明顯的噪音通常為電噪音，包括射頻噪音和地電位差噪音。以地電位差噪音為例，若結構設計不當或接地不良，就會引發電位差，通過優化接地和合理的結構設計即可避免。

3 ?微波小信號功率測量優化設計

3.1 檢波電路設計

采用平面摻雜勢壘二極管作為檢波元件，該種二極管的結構特殊，可滿足微波功率檢測對于速度的要求，且二極管的電容非常有限，檢測過程中性能發揮穩定。對優選后的二極管進行平衡配置，平衡配置的優勢主要體現在以下方面：第一，可避免當微波功率電平小于1nW時，金屬連接熱電壓對檢測精度的影響。第二，避免因發生諧波導致的檢測誤差。第三，雙重二極管的檢測精度可達到之前的4倍，但產生的噪音僅為之前的2倍。第四，可避免共模噪音的影響。將檢波電路設計為平衡配置的雙二極管形式，加上性能優良的二極管元件，信號檢測的靈敏度更高，功率傳感器溫度更為穩定。

3.2 采波電路設計

在待檢微波功率為-60～+20dBm時，二極管檢波元件能夠帶來的檢波電壓一般不超過1.4V，檢波完成后測量小信號時，噪音主要來自1/f。為提高功率傳感器的靈敏度，達到微波功率檢測指標的要求，融入斬波放大技術。首先調節微波信號使其達到更高的交流信號等級，從而減輕1/f噪音對于靈敏度的影響，然后再將小信號放大。斬波放大技術的作用是持續的，它能夠將1/f噪音調整到更高的頻段，然后利用低通濾波器將噪音過濾。該過程并不影響正常需要檢測的信號，通過調制后，又將正常信號解調傳回基帶，可有效避免白噪音混疊的問題。斬波元件對小信號的處理作用由電子開關進行控制，其中放大部分主要包括斬波調制模塊、放大模塊和解調模塊。小信號經過斬波器，電子開關控制其反復的連通和切斷，擴大直流小信號的頻率使其與斬波驅動信號的頻率相同。再經過電容交流耦合作用，利用交流放大器提高增益，過濾噪音。正常信號通過解調模塊的斬波作用，將交流信號轉化成直流信號。經處理后的信號還要通過低噪音放大的處理，該過程主要依靠低直流電流晶體管和運算放大器完成，將信號初步放大，逐步經歷低通斬波和數模轉換，最終實現微波功率小信號的采集和檢測。而對于噪音干擾的處理，可在設計過程中添加電磁屏蔽，設置完整的地平，選取合理的布線方式和連接方法，以最大程度減輕噪音對微波功率小信號采集及檢測的干擾。

3.3 數據采集電路設計

在整個檢測過程中，后端的信號采集模塊對微波功率小信號的檢測靈敏度也有較強的影響。在信號采集方案的基礎之上，使用Σ-Δ轉換技術進行數據采集電路的設計。該技術為模擬數字轉換技術，其中包括噪音成像、數據濾波、抽取等技術分支。Σ-Δ轉換技術應用過程中，采樣技術首先發揮功能，信號采樣的頻率為kfs，即k倍的奈奎斯特頻率[2]。該作用的優點在于可將信號噪音進行分散處理，可明顯提升信噪比。例如，在N bit ADC中，信噪比可表示為SNR=6.02N+1.76dB。提升SNR可使信號檢測更為靈敏。在傳統技術中，要想實現信號檢測精度的提高，只能通過增加ADC的位數來實現。而使用該研究中提出的kfs頻率進行采樣，可降低顯示噪音基線。雖然并沒有改變信噪比SNR，但噪音的分布頻率更為寬泛，能夠達到fs/2的噪音功率已經非常有限。在相同輸入信號頻率的條件下，噪音的功率變化為原來的1/K。也就是說，信噪比變為6.02N+1.76+10log10KdB。在此條件下，采集到的微波信號頻率每提高到原來的1倍，其信噪比都可在原來的基礎上增加3dB。這樣一來，微波功率小信號的檢測中，噪音對監測靈敏度的影響就可得到最大程度的控制。例如，某實驗使用4階64倍的Σ-Δ轉換技術對檢測電路進行優化，結果發現噪音的影響得到很好的抑制，信噪比增加明顯，對于微波功率小信號的檢測精度較高，信噪比達到115dB，證明方案切實可行。

在設計方案的應用檢測中發現，以上方法能夠讓微波功率小信號檢測的精確度平均上升12dB左右，功率檢測結果的精確度也可提高0.4dB。

4 ?結語

微波功率測量儀的靈敏度主要受功率傳感器的影響，傳感器檢測性能的發揮除了要受噪音的干擾外，檢測溫度、檢測時間的變化均會給最終小信號功率的測量值帶來一定偏差。為獲得最可靠的微波小信號功率檢測結果，要對傳感器進行優化設計，還要控制其他因素的作用程度，值得做進一步的研究和創新。

參考文獻

[1] 冷朋，趙浩.微波功率測量中的小信號檢測[J].國外電子測量技術，2017，36（3）：67-69.

[2] 陳振林，崔欣辰.微波同軸小功率計校準因子測量不確定度評定[J].計測技術，2015，35（S1）：229-230，234.