CN102981113B - 一种高精度高线性高温度稳定性的动态校准源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及线性动态校准源系统，具体说是一种高精度高线性高温度稳定性的动态校准源系统。本发明所述的高精度高线性高温度稳定性的动态校准源，利用负反馈回路实现功率电平的自动增益控制，利用电子程控衰减器实现大动态范围的功率输出，在自动增益控制环路中利用同步实时补偿射频检波电路以及线性补偿和温度补偿，实现更高的功率准确度，在整个动态范围内实现了功率的高线性输出，在整个工作温度范围内保证了功率输出的一致性。
Description
技术领域
本发明涉及线性动态校准源系统，具体说是一种高精度高线性高温度稳定性的动态校准源系统。
背景技术
在基于二极管检波的射频和微波功率测量中，由于没有直接的功率替代，对于相同的射频或微波输入功率，探头之间的灵敏度差异或者因为时效或者因为温度造成的灵敏度偏差就会导致检波电压之间存在微小的偏差，由于没有负反馈来校正这个微小的灵敏度偏差，因而基于二极管检波的射频和微波功率测量是开环的。
为了实现闭环的绝对功率测量，必须利用高性能校准源对功率探头进行校准，使功率测量可以溯源于厂家标准，进而溯源于国家标准，最终满足功率测量对精度、线性和温度变化的要求。
目前，常规信号源虽然能够作为功率校准的参考源，但是常规信号源更多关注频率范围、功率动态范围和调制等指标技术扩展，在实现方案上优先考虑上述指标，而对功率输出的绝对精度、功率线性和温度稳定性要求较低。因此，常规信号源虽然能够提供一定功率范围内的功率输出，但不能满足绝对功率测量校准所需要的高精度、高线性和高温度稳定性的要求。
因此，在基于二极管检波的射频和微波功率测量中，需要利用高性能校准源实现绝对功率的闭环测量，常规信号源不能满足其高精度、高线性和高温度稳定性的要求，必须采用新的设计方法来满足校准源对高线性、高精度和高温度稳定性的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高精度高线性高温度稳定性的动态校准源，所要解决的技术问题包括：高稳定度ALC(自动电平控制)环路设计技术；功率线性校准和补偿技术；温度补偿和修正技术。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种高精度高线性高温度稳定性的动态校准源系统，包括硬件电路部分和软件补偿两部分，其特征在于：所述硬件电路部分的具体结构包括：高稳定度压控振荡器、一级功率放大器、二级功率放大器、定向耦合器、电子程控步进衰减器、射频检波电路、积分放大器、高精度精密电压参考、温度检测电路、电可擦除存储器、调制器；所述软件补偿部分包括功率线性校准和温度补偿两部分。
本发明所述的高精度高线性高温度稳定性的动态校准源，对压控振荡器的输出信号进行放大，并利用定向耦合器耦合出部分功率信号，构成负反馈回路，实现功率电平的自动增益控制，并利用电子程控衰减器，实现大动态范围的功率输出；在自动增益控制环路中利用同步实时补偿射频检波电路，同时利用线性补偿和温度补偿，保证本发明提供的技术可以实现更高的功率准确度，在整个动态范围内实现了功率的高线性输出，在整个工作温度范围内保证了功率输出的一致性。
附图说明
本发明有如下附图：
图1硬件电路的原理示意图；
图2双二极管同步检波原理图；
图3二极管检波器平方率检波特性偏差示意图；
图4二极管检波温度误差曲面图。
稳定度压控振荡器-1、一级功率放大器-2、二级功率放大器-3、定向耦合器-4、电子程控步进衰减器-5、射频检波电路-6、积分放大器-7、高精度精密电压参考-8、温度检测电路-9、电可擦除存储器-10、调制器-11。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明所述的高精度高线性高温度稳定性的动态校准源包括硬件电路部分和软件补偿两部分，如图1所示，所述硬件电路部分的具体结构如下：
高稳定度压控振荡器1，产生1GHz的信号并送入一级功率放大器2以实现14dB的一级功率放大，
一级功率放大器2的型号可以为RF2045，其输出端连接到调制器11的输入端实现幅度的反馈控制，所述调制器11包括两级串联的HSMP-3892PIN二极管，
调制器11的输出端连接到二级功率放大器3的输入端实现18dB增益的二级功率放大，使信号的最大功率达到30dBm输出，这样能保证经过后面的通道衰减后，输出功率能够大于20dBm，
二级功率放大器3的型号可以为AH215，其输出端连接到1.2GHz的低通滤波器以滤除大于1Ghz的杂波和信号谐波，然后送入耦合度为20dB的定向耦合器4，
定向耦合器4的输出信号直接进入电子程控步进衰减器5，实现大动态范围的功率输出控制，
定向耦合器4耦合出的一路信号作为耦合输入21进入ALC环路的同步实时补偿射频检波电路6，与高精度精密电压参考8提供作为参考输入22的精密功率参考同时进行检波，
经过检波求和后的信号经过积分放大器7积分放大后得到控制调制器11的信号，控制调制器11的信号送入调制器11完成对信号的稳幅控制，
在检波的同时进行软件的功率线性校准和温度补偿：利用设有温度传感器的温度检测电路9，进行温度补偿，并将补偿和校准数据保存到电可擦除存储器10中。
上述技术方案中，单元1～5构成前向功率通路，单元6～8构成反馈回路(负反馈自动电平控制回路)，通过负反馈自动电平控制回路，实现功率输出的准确控制和稳定。本发明利用软件校准和补偿算法，用于实现功率校准和温度补偿，有效提高了校准源的线性和精度，保证了功率输出稳定性，保证了功率输出在不同温度下的一致性和准确性。
在上述技术方案的基础上，同步实时补偿射频检波电路6的检波采用HSMS-2825双二极管检波器芯片。同步实时补偿射频检波电路利用双二极管对反馈信号和功率参考同时进行检波，降低了检波二极管的温度特性，实现高精确的功率控制：如图2所示，利用低势垒肖特基双二极管HSMS-2825，构成同步实时补偿射频检波电路，对反馈信号和功率参考同时进行检波，有效地抵消二极管的检波温度漂移、热噪声的影响，实现高精度电压参考和耦合功率的同步温度变化，抵消温度变化对检波二极管的影响。
在上述技术方案的基础上，高精度精密电压参考8的型号可以为DAC8580IPW。精密参考采用16位高速、低噪声精密DAC(数模转换器)DAC8580IPW产生，DAC8580IPW最大具有96dB的动态范围，输出线性度误差指标小于0.001％，理论上可使校准源的输出功率分辨率达到0.001dB。
在上述技术方案的基础上，电子程控步进衰减器5为5dB/10dB/20dB/40dB四档电子程控衰减器，衰减采用π或T型网络，衰减范围75dB。衰减采用π或T型网络，可利用贴片电阻实现。
在上述技术方案的基础上，设有温度传感器的温度检测电路9中的温度传感器的型号可以为AD592BN；
电可擦除存储器10为一片128kbit的EEPROM(电可擦除只读存储器)。完成温度检测并在校准和补偿后，存储功率线性校准数据和温度补偿数据。
在上述技术方案的基础上，所述硬件电路部分均设置在PCB(印制电路板)上，PCB设计采用ROGERS公司的RO4350(介电常数为3.48)微波板材，半固化片采用RO4450，6层PCB板结构，计算PCB上射频信号线走线线宽，保证良好阻抗匹配，并注意良好接地和屏蔽，这些措施不仅使得通路信号的功率插损小，还有利于保证输出信号的功率稳定性。
在上述技术方案的基础上，软件补偿部分包括：功率线性校准和温度补偿两部分。
首先说明功率线性校准部分：
1、校准源利用调制器11通过ALC环路进行稳幅控制时，是通过检波二极管进行功率检波产生反馈电压的。在校准源设计中，采用了低势垒肖特基双检波二极管对功率参考和反馈信号进行同时检波以抵消检波温度漂移。由于检波二极管工作在线性检波区，输入功率与输出电压不为线性，因此不能完全利用、DAC8580IPW(高精度精密电压参考8)的良好线性保证输出功率的良好线性，必须进行线性校准。图3为二极管检波器平方率检波特性偏差示意图。
2、电子程控衰减器采用标称值电阻设计，衰减器不能做到非常精密，从而存在衰减误差，并且每一级衰减器都会存在不连续性造成的失配反射，需要进行衰减准确度补偿。
功率线性校准具体方式如下：在某个温度下，以ALC环路的最小功率+13.5dBm所对应的参考DAC值为DACmin，以ALC环路的最大功率+21.5dBm对应的参考DAC的值为DACmax，以0.2dB功率输出为步进，采用逐次逼近算法依次得到DACmin到DACmax之间共计42个点对应的参考DAC的值，把这42个点对应的参考DAC的值作为基本功率插值点的线性数据，运用三次优化的牛顿插值算法，对任意两点之间的线性校准数据进行插值处理，产生功率步进非常密集的功率线性补偿表格；
采用与更高性能指标功率计进行比对的方法，在整个动态范围内，以0.2dB为步进，配合不同的衰减器组合，利用逼近算法确定最佳的DAC值；然后对这些值进行牛顿插值，从而确定各个功率输出所对应的DAC值和衰减器组合。
下面说明温度补偿部分：
二极管的检波特性随温度变化而改变，所以检波二极管的检波电压随温度变化的特性是温度和功率的复杂二维函数，误差曲面参见图4所示的二极管检波温度误差曲面图。
除了最显著的二极管检波误差外，硬件电路如DAC、衰减器、放大器都受温度的影响，温度补偿一起对此进行修正，保证在整个工作温度范围内，实现准确度、线性的一致性。
由图4可以看出，温度误差曲面连续可导，可以按功率轴分段进行温度补偿，将三维的曲面离散为两维的曲线。这样，在某个功率轴上，功率为常数，温度补偿系数只与温度有关。
本发明采用了高稳定度ALC环路、同步实时补偿射频检波技术、高稳定度大动态范围射频通道设计技术等关键技术，使得电路工作稳定，满足功率分辨率、功率电平输出要求；同时，本发明采用软件实现功率线性校准和温度补偿，进一步保证了功率的高精度、高线性和高温度稳定性。
Claims (8)
1.一种高精度高线性高温度稳定性的动态校准源系统，包括硬件电路部分和补偿两部分，其特征在于：所述硬件电路部分的具体结构包括：高稳定度压控振荡器、一级功率放大器、二级功率放大器、定向耦合器、电子程控步进衰减器、射频检波电路、积分放大器、高精度精密电压参考、温度检测电路、电可擦除存储器、调制器；所述补偿部分包括功率线性校准和温度补偿两部分；
所述的功率线性校准部分包括：
(1)、校准源利用调制器通过ALC环路进行稳幅控制时，是通过检波二极管进行功率检波产生反馈电压的；在校准源设计中，采用了低势垒肖特基双检波二极管对功率参考和反馈信号进行同时检波以抵消检波温度漂移；
(2)、电子程控衰减器采用标称值电阻设计，需要进行衰减准确度补偿；
功率线性校准具体方式如下：在某个温度下，以ALC环路的最小功率+13.5dBm所对应的参考DAC值为DACmin，以ALC环路的最大功率+21.5dBm对应的参考DAC的值为DACmax，以0.2dB功率输出为步进，采用逐次逼近算法依次得到DACmin到DACmax之间共计42个点对应的参考DAC的值，把这42个点对应的参考DAC的值作为基本功率插值点的线性数据，运用三次优化的牛顿插值算法，对任意两点之间的线性校准数据进行插值处理，产生功率步进非常密集的功率线性补偿表格；
采用与更高性能指标功率计进行比对的方法，在整个动态范围内，以0.2dB为步进，配合不同的衰减器组合，利用逼近算法确定最佳的DAC值；然后对这些值进行牛顿插值，从而确定各个功率输出所对应的DAC值和衰减器组合。
2.如权利要求1所述的动态校准源系统，其特征在于：所述的高稳定度压控振荡器，产生1GHz的信号并送入一级功率放大器以实现14dB的一级功率放大；一级功率放大器的型号为RF2045，其输出端连接到调制器的输入端实现幅度的反馈控制，所述调制器包括两级串联的HSMP-3892PIN二极管，调制器(11)的输出端连接到二级功率放大器(3)的输入端实现18dB增益的二级功率放大，使信号的最大功率达到30dBm输出，这样能保证经过后面的通道衰减后，输出功率能够大于20dBm；所述的二级功率放大器的型号为AH215，其输出端连接到1.2GHz的低通滤波器以滤除大于1Ghz的杂波和信号谐波，然后送入耦合度为20dB的定向耦合器，定向耦合器的输出信号直接进入电子程控步进衰减器，实现大动态范围的功率输出控制，定向耦合器耦合出的一路信号作为耦合输入ALC环路的同步实时补偿射频检波电路，与高精度精密电压参考提供作为参考输入的精密功率参考同时进行检波，经过检波求和后的信号经过积分放大器积分放大后得到控制调制器的信号，控制调制器的信号送入调制器完成对信号的稳幅控制，在检波的同时进行功率线性校准和温度补偿：利用设有温度传感器的温度检测电路，进行温度补偿，并将补偿和校准数据保存到电可擦除存储器中。
3.如权利要求1或2所述的动态校准源系统，其特征在于：所述的高稳定度压控振荡器、一级功率放大器、二级功率放大器、定向耦合器、电子程控步进衰减器构成前向功率通路；所述的射频检波电路、积分放大器、高精度精密电压参考构成反馈回路，通过负反馈自动电平控制回路，实现功率输出的准确控制和稳定。
4.如权利要求2所述的动态校准源系统，其特征在于：所述的同步实时补偿射频检波电路的检波采用HSMS-2825双二极管检波器芯片，同步实时补偿射频检波电路利用双二极管对反馈信号和功率参考同时进行检波，降低了检波二极管的温度特性，实现高精确的功率控制：利用低势垒肖特基双二极管HSMS-2825，构成同步实时补偿射频检波电路，对反馈信号和功率参考同时进行检波，有效地抵消二极管的检波温度漂移、热噪声的影响，实现高精度电压参考和耦合功率的同步温度变化，抵消温度变化对检波二极管的影响。
5.如权利要求1或2所述的动态校准源系统，其特征在于：所述的高精度精密电压参考的型号为DAC8580IPW，精密参考采用16位高速、低噪声精密DAC8580IPW产生，DAC8580IPW最大具有96dB的动态范围，输出线性度误差指标小于0.001％，理论上可使校准源的输出功率分辨率达到0.001dB。
6.如权利要求1或2所述的动态校准源系统，其特征在于：所述的电子程控步进衰减器为5dB/10dB/20dB/40dB四档电子程控衰减器，衰减采用π或T型网络，衰减范围75dB；衰减采用π或T型网络，可利用贴片电阻实现。
7.如权利要求1或2所述的动态校准源系统，其特征在于：所述的温度传感器的温度检测电路(9)中的温度传感器的型号可以为AD592BN；电可擦除存储器(10)为一片128kbit的EEPROM；完成温度检测并在校准和补偿后，存储功率线性校准数据和温度补偿数据。
8.如权利要求1或2所述的动态校准源系统，其特征在于：所述硬件电路部分均设置在PCB上，PCB设计采用ROGERS公司的RO4350介电常数为3.48的微波板材，半固化片采用RO4450，6层PCB板结构，计算PCB上射频信号线走线线宽，保证良好阻抗匹配，并注意良好接地和屏蔽。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Effective date of registration: 20190313 Address after: 266000 No. 98 Xiangjiang Road, Huangdao District, Qingdao City, Shandong Province Patentee after: China Electronics Technology Instrument and Meter Co., Ltd. Address before: 266000 No. 98 Xiangjiang Road, Qingdao economic and Technological Development Zone, Shandong Patentee before: The 41st Institute of CETC |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160217 Termination date: 20201226 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |