CN106680580B - 一种功率及电压驻波比的测量系统 - Google Patents

一种功率及电压驻波比的测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电磁测量领域，尤其涉及一种功率及电压驻波比的测量系统，包括：信号源装置、功率放大器、功率及电压驻波比测量装置、功率计和PC机；所述信号源装置的输出端通过所述功率放大器与功率及电压驻波比测量装置电连接；所述功率及电压驻波比测量装置分别与功率计和PC机电连接；所述功率及电压驻波比测量装置设置在小型设备系统中，所述功率及电压驻波比测量装置包括耦合器和下地电容；所述下地电容设置在所述耦合器的耦合端。在耦合器的耦合端增设下地电容，并且结合信号源装置调节，使得功率及电压驻波比的测量系统在保持高测量精度的条件下，减小功率及电压驻波比的测量系统的体积。

Description

一种功率及电压驻波比的测量系统
技术领域
本发明涉及电磁测量领域，尤其涉及一种功率及电压驻波比的测量系统。
背景技术
电压驻波比用于度量射频微波传输通道的失配量，定义为传输通道的电压最大值与电压最小值之比，可以由射频微波传输通道的正向传输功率和反向传输功率导出。
功率测量仪主要有两种方式：吸收式和通过式。吸收式功率计一般采用功率传感器用作终端负载吸收并测量射频微波通道上的射频能量，这种功率计由于全部吸收射频能量用于测量，通常用于专门的功率测量仪中。在通信系统设备中用于射频通道监测目的的射频微波功率计一般都采样通过式功率计，因为通过式功率计只需耦合一小部分射频能量用于监测，而大部分射频能量用于设备的正常通信使用，因此其便于集成于设备系统中，但设计难度较大。
由于吸收式功率计需要吸收射频通道的所有能量用于测量，因此会影响设备的正常工作，不便于实时监测射频通道监测的能力。而现有的通过式功率计考虑到测量精度的问题体积都比较大，因为只有较长的耦合传输线的耦合器才能实现宽频段的耦合系数的稳定，从而实现较高的功率测量精度，一般要求耦合器的耦合线长度至少要λ/4。如设计100MHz以上频率的功率计，则其耦合器的耦合线长l为：
通过填充高介电常数的介质可以降低一些长度，但高介电常数介质又会带来大的损耗，同时传输线越长，插入损耗的指标越差。从通过式功率计的低插损、小体积的指标考虑就需要功率及电压驻波比的测量系统的尺寸尽量小，同时满足高精度的要求。
目前的功率及电压驻波比的测量系统无法满足在测量精度高的条件下减小硬件体积。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种测量精度高且硬件体积小的功率及电压驻波比的测量系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种功率及电压驻波比的测量系统，包括：信号源装置、功率放大器、功率及电压驻波比测量装置、功率计和PC机；
所述信号源装置的输出端通过所述功率放大器与功率及电压驻波比测量装置电连接；
所述功率及电压驻波比测量装置分别与功率计和PC机电连接；
所述功率及电压驻波比测量装置设置在小型设备系统中，所述功率及电压驻波比测量装置包括耦合器和下地电容；所述下地电容设置在所述耦合器的耦合端。
本发明的有益效果在于：
现有技术的功率及电压驻波比的测量设备频率为100MHz以上时，要求耦合器的耦合线长0.75m以上，无法应用在小型的整机设备系统中；而本发明提供的功率及电压驻波比的测量系统在耦合器的耦合端增设下地电容，并且结合信号源装置调节，使得功率及电压驻波比的测量系统在保持高测量精度的条件下，减小功率及电压驻波比的测量系统的体积，耦合线长仅需0.04m，可直接应用在小型的整机设备系统中。
附图说明
图1为本发明的功率及电压驻波比的测量系统的结构示意图；
图2为本发明的耦合器增加下地电容的仿真模型示意图；
图3为本发明的耦合器未增加下地电容的仿真结果示意图；
图4为本发明的耦合器增加下地电容的仿真结果示意图；
图5为本发明的功率及电压驻波比的测量系统的matlab软件仿真结果示意图；
图6为本发明的功率及电压驻波比的测量系统的芯片线性斜率示意图；
图7为本发明的功率及电压驻波比的测量系统的功率计算公式的系数值示意图；
标号说明：
1、信号源装置；2、功率放大器；3、功率及电压驻波比测量装置；31、耦合器；32、下地电容；4、功率计；5、PC机。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于：在耦合器的耦合端增设下地电容，并且结合信号源装置调节，使得功率及电压驻波比的测量系统在保持高测量精度的条件下，减小功率及电压驻波比的测量系统的体积。
请参照图1-2，本发明提供的一种功率及电压驻波比的测量系统，包括：信号源装置1、功率放大器2、功率及电压驻波比测量装置3、功率计4和PC机5；
所述信号源装置1的输出端通过所述功率放大器2与功率及电压驻波比测量装置3电连接；
所述功率及电压驻波比测量装置3分别与功率计4和PC机5电连接；
所述功率及电压驻波比测量装置3设置在小型设备系统中，所述功率及电压驻波比测量装置3包括耦合器31和下地电容32；所述下地电容32设置在所述耦合器31的耦合端。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：现有技术的功率及电压驻波比的测量设备频率为100MHz以上时，要求耦合器的耦合线长0.75m以上，无法应用在小型的整机设备系统中；而本发明提供的功率及电压驻波比的测量系统在耦合器的耦合端增设下地电容，并且结合信号源装置调节，使得功率及电压驻波比的测量系统在保持高测量精度的条件下，减小功率及电压驻波比的测量系统的体积，耦合线长仅需0.04m，可嵌入于通信、导航设备的发射机系统里或射频功放系统里，用于实时监测射频功率和射频通道性能。
上述的小型设备系统可以为通信、导航设备的发射机系统或射频功放系统。
进一步的，还包括衰减器和频谱仪；
所述功率及电压驻波比测量装置通过衰减器与频谱仪电连接。
由上述描述可知，在上述实施方式中，采用40dBm的衰减器，再结合频谱仪进行显示，调节信号源装置，使得频谱仪显示为0dBm，此时功率及电压驻波比测量装置输出即可为40dBm，满足测量要求。
进一步的，所述功率及电压驻波比测量装置还包括检波芯片和AD采样芯片；所述AD采样芯片为带有AD采样功能的单片机芯片；
所述耦合器与检波芯片电连接；所述检波芯片与AD采样芯片电连接；
所述AD采样芯片与PC机电连接。
由上述描述可知，在上述实施方式中，将经过耦合器耦合的射频能量经过检波芯片AD8362，实现将功率信号转换为直流电压。
进一步的，所述功率及电压驻波比测量装置还包括串口；所述AD采样芯片通过所述串口与PC机电连接。
进一步的，还包括上位机；所述功率及电压驻波比测量装置与上位机串口连接。将测量值通过上位机上传至服务器记录，便于远程查询，用户可通过互联网登录服务器获取相关数据。
本发明的功率及电压驻波比的测量系统的设计原理为：
本发明的功率及电压驻波比的测量系统，实现双定向耦合器在远小于λ/4耦合线长的情况下，改善耦合器耦合度的稳定性，同时采用matlab编写程序并仿真功率计算算法，从而通过软件实现对耦合度的补偿，实现测量设备的高精度测量。
本发明的功率及电压驻波比的测量系统频率从100MHz～400MHz，为测量电压驻波比，因此设计高方向性、小尺寸的双定向耦合器，可同时测量正向功率值和反向功率值，双定向耦合器的整个长度仅为4cm，远小于传统耦合器的耦合线长75cm，仿真模型如图2，仿真结果如图3。从图3中可以看出插损指标小于0.015dB，耦合度相差约11dB，可以看出由于尺寸的降低使插损的指标优越，从而导致耦合度的稳定性较差。
为实现耦合度稳定的目的，在耦合端加入下地电容，仿真结果如图4，可以看出耦合度的稳定性为0.84dB，得到了较大提高，同时隔离度也接近25dB。将此经过耦合器耦合的射频能量经过检波芯片AD8362，实现将功率信号转换为直流电压，且其直流电压和功率信号成线性关系，线性关系的截距为-60dBm，线性的斜率约为50mV/dB(不同批次芯片斜率关系不同，可通过matlab编程仿真确定斜率值)。将此直流电压值输入给单片机，在单片机中进行AD采样，再通过串口将采样到的电压值传送到PC机，用于matlab编程仿真功率算法。
按照测量功率范围的中间值进行采样功率信息，如进行40dBm即10W功率的校准，设备连接如图1所示，通过调整信号源装置输出的功率大小使频谱仪的测量功率值为0dBm，并由单片机程序通过串口上传AD采样的电压值给PC机即电脑。改变信号源频率值进行相同的操作，并在PC机的excel记录表格中记录下测量值。将功率及电压驻波比测量设备射频输入和输出端口反向接入校准设备中，进行同样的校准步骤，并记录下方向功率的采样电压信息，可采用每隔10MHz进行采样，可根据实际测量精度进行频率间隔采样。
为较高的测量精度，耦合度变化较激烈的段进行分开功率算法仿真，如matlab软件仿真结果图5所示，将100MHz～200MHz(命名为VHF)和200MHz～400MHz(命名为UHF)分别进行算法仿真。从仿真结果中可以看到耦合度和测量精度，并通过图6中的看出芯片线性斜率的取值。参考线从上到下，一次为45到57，间隔为1，可比较校准功率接近的值确定芯片线性关系的斜率值，并将其以矩阵形式写入matlab命令栏，采用的斜率值为[52.25，50.5，52.5，50.5]，分别代表VHF正向功率斜率值、VHF反向功率斜率值、UHF正向功率斜率值、UHF反向功率斜率值，得到图7所示的功率计算公式的系数值，其中PA为100MHz～200MHz的正向功率系数，PB为200MHz～400MHz的正向功率系数，PC为100MHz～200MHz的反向功率系数，PD为200MHz～400MHz的反向功率系数。
在单片机的程序中，将图7中的系数写入，并在单片机程序中由公式1求出经过校准的正反向功率值：
Pin＝x×V+x0+x1×f+x2×f2+x3×f3+x4×f4公式1；
其中x、x0、x1、x2、x3和x4为图7的行矩阵中的值，V为单片机的AD采样的直流电压值，f为由整机设备系统的上位机或者PC机通过串口下传给单片机的测量频率信息，并通过公式2：
将功率值由dBm转化为W，再通过将正向功率值Pwf和反向功率值Pwr代入计算公式3：
计算出电压驻波比，并将功率信息和电压驻波比信息上传给整机设备系统的上位机或者PC端用于显示或者对系统的实时监测。
综上所述，本发明提供的一种功率及电压驻波比的测量系统，现有技术的功率及电压驻波比的测量设备频率为100MHz以上时，要求耦合器的耦合线长0.75m以上，无法应用在小型的整机设备系统中；而本发明提供的功率及电压驻波比的测量系统在耦合器的耦合端增设下地电容，并且结合信号源装置调节，使得功率及电压驻波比的测量系统在保持高测量精度的条件下，减小功率及电压驻波比的测量系统的体积，耦合线长仅需0.04m，可直接应用在小型的整机设备系统中。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种功率及电压驻波比的测量系统，其特征在于，包括：信号源装置、功率放大器、功率及电压驻波比测量装置、功率计和PC机；
所述信号源装置的输出端通过所述功率放大器与功率及电压驻波比测量装置电连接；
所述功率及电压驻波比测量装置分别与功率计和PC机电连接；
所述功率及电压驻波比测量装置设置在小型设备系统中，所述功率及电压驻波比测量装置包括耦合器和下地电容；所述下地电容设置在所述耦合器的耦合端；
还包括衰减器和频谱仪；
所述功率及电压驻波比测量装置通过衰减器与频谱仪电连接；
所述功率及电压驻波比测量装置还包括检波芯片和AD采样芯片；
所述耦合器与检波芯片电连接；所述检波芯片与AD采样芯片电连接；
所述AD采样芯片与PC机电连接
所述功率及电压驻波比测量装置还包括串口；所述AD采样芯片通过所述串口与PC机电连接；
还包括上位机；所述功率及电压驻波比测量装置与上位机电连接；
所述功率及电压驻波比测量装置用于将经过耦合器耦合的射频能量经过检波芯片AD8362，实现将功率信号转换为直流电压，且其直流电压和功率信号成线性关系，线性关系的截距为-60dBm，线性的斜率约为50mV/dB，将此直流电压值输入给单片机，在单片机中进行AD采样，再通过串口将采样到的电压值传送到PC机，用于matlab编程仿真功率算法；
在单片机程序中由公式1求出经过校准的正反向功率值：
Pin＝x×V+x0+x1×f+x2×f2+x3×f3+x4×f4 公式1；
其中x、x0、x1、x2、x3和x4为行矩阵中的值，V为单片机的AD采样的直流电压值，f为由整机设备系统的上位机或者PC机通过串口下传给单片机的测量频率信息，并通过公式2：
将功率值由dBm转化为W，再通过将正向功率值Pwf和反向功率值Pwr代入计算公式3：
计算出电压驻波比，并将功率信息和电压驻波比信息上传给整机设备系统的上位机或者PC机用于显示或者对系统的实时监测。
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