一種提高信號收發儀端口承受功率的設計方法

張寧，宋淼，陶芳勝

（中電科思儀科技股份有限公司，山東青島，266555）

0 引言

在電子測量領域中，信號收發儀是一類全新的儀器，它結合了信號分析儀、信號發生器與基于FPGA 的實時信號處理和控制功能，具有測試效率和測試成本的最優配置，目前已廣泛應用于物聯網測試、半導體測試、衛星測試、雷達測試等領域中。信號收發儀同時具有信號發生器功能和信號分析儀功能，信號發生器用來產生激勵信號，信號分析儀用來測量被測件的響應。信號發生器有一項最大反向承受功率的指標，表征的是當與外部連接時因為駐波影響、錯誤連接、錯誤測試等因素導致信號反向灌入到信號發生器，從而導致儀器內部器件損壞，通常通用的信號發生器該指標為交流0.5W，直流（0V DC）。信號分析儀有一項最大安全輸入電平的指標，表征的是輸入端允許的不損壞產品的最大電平，通常通用的信號分析儀該指標為交流1W，直流（0V DC）。如果是kHz 以上的比較高的頻率輸出或輸入，端口加隔直電容就可以提高直流的輸出端口反向承受電壓和輸入端口最大安全輸入電平指標，本文介紹一種信號收發儀端口承受功率的設計方法，可有效提高信號發生器和信號分析儀端口的交流信號承受功率到2W 左右。

1 主要技術指標與電路設計

1.1 主要技術指標

（1）信號輸出端口

最大輸出功率：20dBm

最大反向承受功率：33dBm（2W）

耦合方式：交流

（2）信號輸入端口

最大輸入功率：30dBm

最大安全輸入電平：33dBm（2W）

耦合方式：交流

1.2 電路設計

1.2.1 信號發生器端口原理框圖

提高信號發生器端口的反向承受功率的自保護電路原理框圖如圖1 所示。主要由開關、大功率衰減器、定向耦合器、對數檢波器、比較器、靜電防護二極管等組成。

圖1 信號發生器輸出端口保護電路原理框圖

如圖1 所示，來自儀器內部的射頻信號輸出到端口連接器之前首先經過二選一開關，該開關一路連接射頻輸出信號，另一路通過10dB 的大功率衰減器1 后接地，二選一開關公共端連接到定向耦合器、2dB 大功率衰減器2，然后通過隔直電容輸出到信號輸出端口，輸出端口有用于靜電防護的二極管，定向耦合器耦合出一路射頻信號，經匹配網絡和衰減器3 后接到對數檢波器，對數檢波器對當前的信號功率進行檢波，檢波后的電壓與固定參考電壓進行比較，比較后的電平控制二選一開關的通路。

當射頻信號在正常的功率范圍內輸出時，比較器輸出的電平控制二選一開關始終連通在射頻信號通路上；當突然輸出端口處有大功率信號反向灌入到信號輸出端口，對數檢波器檢波后的電壓會超過一定閾值，導致比較器輸出電平翻轉，控制二選一開關切換到大功率衰減器1 通道，將大功率信號引入到地網絡，大功率反向信號不會進一步影響到二選一開關后端的電路，從而起到對信號發生器的保護作用；當反向輸入的大功率信號消失后，對數檢波器檢波到的電壓恢復正常，比較器輸出電平再次翻轉，控制二選一開關再次回到正常的輸出信號狀態，信號正常輸出，從而實現信號發生器的自保護和自恢復功能。

1.2.2 信號分析儀端口原理框圖

提高信號分析儀端口承受功率的自保護電路原理框圖如圖2 所示，也主要由開關、大功率衰減器、對數檢波器、比較器、靜電防護二極管等組成，不同的是，比較器的輸出狀態會連接到FPGA，FPGA 也會直接對開關的控制信號進行設置。

圖2 信號分析儀輸入端口保護電路原理框圖

如圖2 所示，來自外部的射頻輸入信號首先經過靜電防護電路和隔直電容后接到衰減量為2dB、承受功率為2W的大功率衰減器2，然后進入到二選一開關，根據輸入信號的大小，選擇走直通通路或衰減通路，再進入到后端的調理采集電路。同時，大功率衰減器2 后會耦合出一路信號對輸入信號功率進行實時監測，耦合出的信號經過匹配網絡和衰減器3 后進入到對數檢波器，檢波后的電壓與固定參考電壓進行比較，比較后的電平控制二選一開關的通路。此處2 個二選一開關同步控制，控制信號同時受到比較器輸出電平和FPGA（上位機）的控制，FPGA 的控制優先級高，無論比較器輸出高電平還是低電平，FPGA 都可以通過上位機命令對該控制電平進行置位，同時比較器當前的電平輸出狀態會反饋給FPGA 進行實時監控。

信號分析儀工作時，通常需要用戶根據輸入信號的功率大小，進行參考電平的設置，從而控制二選一開關的通路，因此FPGA 會根據用戶的設定狀態，直接設置二選一開關的控制信號，如果當前工作在比較大的參考電平下，二選一開關處在衰減通道，此時，即使信號輸入端口有2W 的大功率信號輸入，因為有大功率衰減器2 和大功率衰減器1 的保護，也不會損壞后端的電路；如果當前輸入信號較小，用戶設置參考電平較小，分析儀會工作在直通通道，以保證分析儀有比較好的顯示平均噪聲電平指標，此時如果信號輸入端口信號功率突然增大，并且不能及時進行通道切換，后端的電路元器件就會很容易損壞，從而導致信號分析儀無法再使用。在如圖2 的電路中，當信號分析儀前端工作在直通通道時，FPGA 在根據用戶的要求，設置完參考電平后，會監測比較器的輸出電平狀態，并放開對二選一開關控制信號的強制置位，設置緩沖器輸出為高阻狀態，此時二選一開關的狀態由比較器的輸出電平決定，當突然輸入端口處有大功率信號進入到信號分析儀，對數檢波器檢波后的電壓會超過一定閾值，導致比較器輸出電平翻轉，控制二選一開關切換到衰減通道，從而起到對信號分析儀后端電路的保護作用，當輸入端口的大功率信號消失后，對數檢波器檢波到的電壓恢復正常，比較器輸出電平再次翻轉，控制二選一開關再次回到正常的通路狀態。

2 電路介紹與分析

2.1 端口保護電路

圖1 和圖2 中，靜電防護電路位于最前端，為射頻端口提供靜電防護功能，防靜電器件的防靜電效果主要通過其ESD capability、Trigger Voltage 及Clamping Voltage 衡量。其中，ESD capability 描述器件能夠正常工作的最大靜電電壓。Trigger Voltage 描述器件導通時的最小靜電電壓。Clamping Voltage 描述一定幅值的靜電電壓經過防靜電器件的抑制一段時間后的電壓，該項目中可選用littlefuse 公司的PGB2010402[2]，該器件這幾項指標如表1 所示，如果輸出信號頻率比較高的情況下，為降低防靜電器件引入的插損，需要選擇等效電容盡量小的器件。

表1 PGB2010402指標

圖1 和圖2 中，大功率衰減器2 是為了保護后端的二選一開關以及改善端口匹配所設計。設計要求信號輸出端口和輸入端口能夠承受2W 的輸入功率，所以位于端口前端的2dB 大功率衰減器2 必須能夠承受2W 的功率，該類器件可選擇型號比較多，帶寬也較大，頻率可達18GHz 以上，需要注意的是大功率衰減器的駐波比指標盡量選擇比較好的，并且該類器件與后端的開關往往需要比較好的匹配，在PCB設計時需要注意，否則會惡化端口駐波比指標。大功率衰減器1 同樣也要選擇能承受較大功率的衰減器，但是該器件對端口駐波比影響較小。2W（33dBm）的輸入功率經過了2dB 的大功率衰減器2 后，輸入功率減少為31dBm，一般的二選一開關都可以承受該功率，可選擇的型號比較多。

2.2 對數檢波電路

圖1 和圖2 中，在大功率衰減器2 其中一端需耦合出一路射頻信號，對該節點的射頻信號功率進行實時監測。耦合出的射頻信號首先經匹配網絡和衰減后接到對數檢波器，因為對數檢波器有一定的輸入功率范圍要求，因此需要通過衰減器進行功率調整。對數檢波器把射頻信號功率轉換成電壓，用電壓來表示輸入射頻信號功率的大小，該電路中可選用ADI 公司的對數檢波器AD8319。AD8319 是ADI 公司推出的一款解調型對數放大器，它響應的是輸入信號的包絡。解調型對數放大器也稱逐級檢波對數放大器，它不是采用一個放大器的對數特性而是用多個相同的線性放大器級聯來分段線性逼近對數函數，形成對數級聯后，可以得到很好的對數傳遞函數，在整個動態范圍內對數精度很高。AD8319[3]可在1MHz~10GHz 頻率范圍內精確測量射頻信號，動態范圍超過40dB，精確度優于±1dB。AD8319 可工作在測量模式和控制模式，在本項目圖1 所示電路框圖中，需工作在測量模式，得到與輸入信號功率呈線性關系的輸出電壓；控制模式可應用于控制功率放大器或可變增益放大器的輸出功率。測量模式的電路連接圖如圖3 所示，在該模式下AD8319 芯片的4 腳VSET和輸出腳VOUT之間需進行連接，直接相連或通過電阻分壓（R2、R3）將輸出電壓VOUT 的一部分反饋回VSET。

圖3 對數檢波器測試模式連接圖

圖4 為AD8319 輸入信號功率與輸出電壓的對應曲線，由圖可知輸入功率與其輸出電壓之間呈現一種線性關系，有一個負斜率，當輸入功率增加時，對應的輸出電壓呈線性關系跟著減少。

圖4 輸出電壓與輸入信號功率曲線

輸出電壓和輸入信號存在以下關系式：

其中X 為反饋因子

VSLOPE/DEC是斜率，VINTERCEPT是截距，它們的值不是通過直接計算得到的，而是變換器本身所固有的特性決定的，該器件斜率為-440mv/decade 或-22mv/dB， 截 距 為15dBm 或2dBV，用dB 表示，則有以下公式：

如果X=1,則當輸入功率PIN為-10dBm 的時候，輸出電壓為550mV 左右，如圖4 所示曲線。

本項目采用外圍電路如圖2 所示連接關系，R2=R3=1kΩ，則VOUT的一半反饋回VSET，X=2，則輸出關系式為：

斜率為-44mV/dB，當輸入功率PIN為-10dBm 的時候，輸出電壓為1100mV 左右，輸入信號功率每增加10dB，輸出電壓減少440mV 左右。

2.3 比較器電路

圖1 和圖2 中，比較器電路用于檢波后的電壓與固定的參考電壓信號進行比較，根據比較結果輸出高電平或低電平，從而控制二選一開關的通路。比較器電路如圖5 所示，VOUT為對數放大器輸出后的電壓，VREF為固定的參考電壓，該電壓值可以用電阻分壓來進行調整。

圖5 比較器電路

在信號輸出電路中，本項目要求最大輸出功率為20dBm，因此對于功率為20dBm 以下的輸出信號要能夠正常輸出，而對于功率20dB 以上的反向輸入信號要進行旁路，從而保護后端電路不被損壞。如圖6 可以看出，如果輸出端口有一個反向的20dBm 輸入信號，則經過了2dB的大功率衰減器后變為18dBm，經過了耦合度為20dB 的定向耦合器后功率為-2dBm，再經過8dB 的固定衰減器3后，輸入到對數檢波器前端功率大約-10dBm，從前面的介紹可知，輸入功率為-10dBm 時，對數檢波器輸出電壓VOUT為1100mv 左右，如果比較器的VREF參考電壓設置為1100mV，則當反向輸入信號高于20dBm 時，VOUT會小于1100mv，比較器正端電壓VOUT小于負端電壓VREF，比較器輸出電平進行翻轉，控制二選一開關切換到旁路通道，將大功率反向輸入信號經過10dB 大功率衰減器1 后旁路到地，從而保護后端電路不被損壞。當大功率反向輸入信號消失后，對數檢波器輸入信號功率變小，輸出電壓VOUT變大，比較器正端電壓VOUT大于負端電壓VREF，比較器再次翻轉，控制二選一開關再次回到正常的輸出信號時的狀態，信號正常輸出。由于本項目要求+20dBm 的信號要正常輸出，因此VREF參考電壓會調整到小于1100mV，留有1dB 的余量，可以調整到1056mV。當有功率為20dBm 以上的反向輸入信號輸入的時候，端口可以自動提供有效的保護和自恢復。

圖6 信號輸出端口功率計算

在信號輸入電路中，本項目要求最大輸入功率為30dBm，最大安全輸入電平為33dBm，對于30dBm 以下、-10dBm 以上的輸入功率，信號走衰減通道，同時，對于2W（33dBm）的大功率輸入信號，此通道也可以提供有效保護。對于-10dBm 以下的輸入信號，需要設置在直通通道，以實現信號分析儀比較好的顯示平均噪聲指標，可以更清楚地觀察分析小信號，此時端口進入到自保護狀態，當信號輸入功率增大時，信號會自動打到衰減通道，功率計算如圖7 所示，到對數放大器前端功率為-30dBm，根據公式4 檢波電壓為-44×（-30-15）=1980mv，留有1dB 的余量，可以調整到2024mV。

圖7 信號輸入端口功率計算

3 結束語

本文介紹了一種提高信號收發儀端口承受功率的設計方法，并給出了硬件設計原理框圖。 實際應用表明，采用該電路可以有效提高信號收發儀輸出端口的最大反向承受功率和輸入端口的最大安全輸入電平，實現信號收發儀發射和接收端口的有效自動保護和自恢復功能，具有電路簡單、可靠性高等特點，已經應用于某型信號收發儀的設計中，還可廣泛應用于需要信號收、發的自動測試系統的設計中，具有很高的實用價值。