CN106896263A - 一种宽带射频功率测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种宽带射频功率测量系统，其功率检测单元的宽带功率计采用检波二极管，实现宽带电压检波，将输入的信号转换为电压信号，再将电压信号通过采样，实现功率测量；通过温度传感器对检测时的温度进行采样，可以对系统的工作环境进行温度校准，可以扩大功率测量方案的温度范围。
Description
技术领域
本发明涉及射频微波测量技术领域，特别涉及一种宽带射频功率测量系统。
背景技术
在射频频段，大多用电压来表征电磁能的量，但当频段上升到微波时，在非横磁波传输系统中电压失去唯一性定义而呈现非单值性，因而又以测量功率为主。现代应用传输横磁波的同轴线已使频段扩展到18吉赫甚至26.5吉赫以上，为在微波频段测量电压创造了条件，但这并不影响功率测量在实际应用中的地位。如发射机的发射功率、微波接收机的灵敏度、放大器的增益等均以功率电平表征，以功率测量定标。现有功率测量方案温度范围达不到宽温，测量频率支持不够宽，可以实现测量的宽温宽频。
发明内容
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，提出一种宽带射频功率测量系统，可实现功率测量可达到-40—+85℃宽温范围，支持0.5—50GHz功率测量，功率动态达到40dB。
本发明通过以下技术方案实现：一种宽带射频功率测量系统，其特征在于，包括：射频通道单元、微波检波单元、信号处理单元和电源模块；
所述射频通道单元包括滤波器、耦合器、功分器、射频机电开关；输入信号进入系统后，经过射频通道，输出反向频谱与切换信号，同时对信号处理单元输出正向信号、反向信号和驱动信号；
所述射频检波单元包括检波器和功分器，所述方向信号和正向信号经过功分器，一路进入信号检波，另一路进入功率检波；
所述信号处理单元包括温度传感器、ADC采样模块、信号处理芯片、光电转换模块、Flash模块和通信模块；其输入端通过所述ADC采样模块连接至所述射频通道单元和微波检波单元的输出端。
具体的，
所述射频机电开关带有50欧姆的负载，保证输出切换信号时不会导致射频通道功率的波动。
所述微波检波单元包括功分器，所述功分器两路输出分别连接信号检波器和功率检波器并输出对应信号的波形和功率。
所述检波器为对数检波器，包括依次连接的检波二极管、对数运算器和运算放大器，射频输入进入检波二极管进行信号检波，再进行对数运算，最后将输入功率和输出电压变换为线性关系。
所述功率检波器对正反信号进行功率检波，包括依次连接的检波二极管和运算放大器，其检波输出至所述ADC采样模块。
所述信号处理单元采用FPGA信号处理芯片，完成功率测量的校准、对环境温度进行测量、对外部输入的两路脉冲电压电流信号进行采样、对外部的检波电压进行采样分析，并计算出功率值；其输入端分别连接所述温度传感器、ADC采样模块，输出端连接光电转换模块、Flash模块，并连接通信模块与其他设备形成通信连接。
所述ADC采样模块有若干个，其输入端采集的信号包括正向信号和方向信号的波形和功率、驱动信号的功率以及阴极电压、电流。
区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：宽带功率计采用检波二极管，实现宽带电压检波，将输入的信号转换为电压信号，再将电压信号通过采样，实现功率测量；通过温度传感器对检测时的温度进行采样，可以对系统的工作环境进行温度校准，可以扩大功率测量方案的温度范围。
附图说明
图1为本发明一种宽带射频功率测量系统的系统结构图。
图2为本发明射频通道单元结构图。
图3为本发明微波检波单元的结构图。
图4为本发明对数检波器结构图。
图5为本发明功率检波器结构图。
图6为本发明信号处理单元结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，一种宽带射频功率测量系统，其特征在于，包括：射频通道单元、微波检波单元、信号处理单元和电源模块；
所述射频通道单元包括滤波器、耦合器、功分器、射频机电开关；输入信号进入系统后，经过射频通道，输出反向频谱与切换信号，同时对信号处理单元输出正向信号、反向信号和驱动信号。
所述射频检波单元包括检波器和功分器，所述方向信号和正向信号经过功分器，一路进入信号检波，另一路进入功率检波。
所述信号处理单元包括温度传感器、ADC采样模块、信号处理芯片、光电转换模块、Flash模块和通信模块；其输入端通过所述ADC采样模块连接至所述射频通道单元和微波检波单元的输出端。
具体的实施过程中，系统采用校准模式，10MHz为一个步进点，进行不同频率下校准，达到高精度测量,其校准方法包括如下步骤：
（1）功率计检测单元、已校准信号源、已校准适量网络分析仪、上位机分别开机预热30分钟；
（2）功率计检测单元使用已校准好的适量网络分析仪，校准信号源与功率测量单元之间的电缆插损记录为数据A；
（3）使用已经校准好的信号源，输出功率范围为：-20dBc～+20dBc范围内固定一个功率值B，输出频率为XX.5GHz～XXGHz，打开信号源，分别以10MHz步进从XX.5GHz增加到XXGHz；
（4）上位机分别记录信号源每改变一个频点时的功率值C；
（5）用数值B分别减去A和C，得到不同频率下的系统插损值D；
（6）当外部输入信号（功率范围在-20～+20dBm内）时，实际测量功率等于功率计测量数据加上系统插损值D之和。
切换信号为正向功率与驱动功率切换输出的信号，分别经功分器、开关与滤波器，，在任意1G带宽范围内，满足±1dB不平，满足损耗≤14dB要求。射频信号开关内带50欧姆负载，因此在输出切换信号时，不会导致射频通道功率波动。
所述微波检波单元包括功分器，所述功分器两路输出分别连接信号检波器和功率检波器并输出对应信号的波形和功率；所述检波器为对数检波器，包括依次连接的检波二极管、对数运算器和运算放大器，射频输入进入检波二极管进行信号检波，再进行对数运算，最后将输入功率和输出电压变换为线性关系；所述功率检波器对正反信号进行功率检波，包括依次连接的检波二极管和运算放大器，其检波输出至所述ADC采样模块，具体的实施过程中，功分器和射频通道单元一样选择XX.5-XXGHz的功分器，检波器为本系统中的关键部件，其中信号检波器主要对信号包络进行检波，识别信号波形，判断信号是否打火等故障。
外部信号输入后，首先进入检波二极管，进行信号检波，检波后的电压值与输入功率呈指数关系，因此再进行对数运算，运算芯片采用L-17D，将输入功率与输出检波电压变换为线性关系。最后检波电压经过运算放大器AD8041进行放大，使得输入功率-30～15dBm时输出幅度在0-5V范围内；检波二极管采用40GHz检波二极管ACTP-1795，经过测试，在二极管检波的-35～-10dBm区域内属于检波平方率区域，即在单音或者多音下检波电压误差非常小，可忽略。但是此时检波电压值非常小，因此后级需要进行运算放大。
运算放大器选择ADI的斩波稳零运放AD8630，该运放增益为120dB。该运放主要特点为超低失调、飘移和偏置电流特性，运放增益带宽为2.5MHz。该运放将输入功率范围为-35～-10dBm 的25dB动态范围内输入的信号功率处理到对应电压值为0～5V。
所述信号处理单元采用FPGA信号处理芯片，完成功率测量的校准、对环境温度进行测量、对外部输入的两路脉冲电压电流信号进行采样、对外部的检波电压进行采样分析，并计算出功率值；其输入端分别连接所述温度传感器、ADC采样模块，输出端连接光电转换模块、Flash模块，并连接通信模块与其他设备形成通信连接，以一个实施例为例：
温度传感器采用ADT7310，可以支持-50～+125℃范围温度采集；
功率测量ADC采用AD9240，可以支持14bit10Msps采样，输入电压范围支持0-5V；
阴极电压电流采样芯片选择AD7864，其芯片采样精度高，电压输入范围宽；
FPGA主处理器采用XC6SLX100处理器，其内部逻辑资源为100K，用户引脚达到326个，满足系统需求。
ADC采用AD9240,其采样率为10Msps，采样位数为14bit，采样输入电压支持0-5V，采样模式为流水型采样。由于输入信号为脉冲调制信号，脉冲调制的最小宽度为10us，因此AD9240在一个脉冲宽度内，能进行100次采样，对采样数据进行处理可得到有效采样为50次，再取平均值方式，对检波电压进行分析，得到功率值。AD9240为14bit位采样，其有效位数不小于12bit，因此在0-2.5V电压范围内，分辨率为0.6mV，因此功率精度可以达到±0.25dB精度。在高低温下采用温度校准方式，可使得系统在常温下达到±0.3dB的精度，在全温范围内，能做到±0.6dB。
所述ADC采样模块有若干个，其输入端采集的信号包括正向信号和方向信号的波形和功率、驱动信号的功率以及阴极电压、电流。
通过上述方式，本发明宽带功率计采用检波二极管，实现宽带电压检波，将输入的信号转换为电压信号，再将电压信号通过采样，实现功率测量；通过温度传感器对检测时的温度进行采样，可以对系统的工作环境进行温度校准，可以扩大功率测量方案的温度范围。
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效结构或等效流程变换，或直接或简介运用在其他相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种宽带射频功率测量系统，其特征在于，包括：射频通道单元、微波检波单元、信号处理单元和电源模块；
所述射频通道单元包括滤波器、功分器、射频机电开关；输入信号进入系统后，经过射频通道，输出反向频谱与切换信号，同时对信号处理单元输出正向信号、反向信号和驱动信号；
所述射频检波单元包括检波器和功分器，所述方向信号和正向信号经过功分器，一路进入信号检波，另一路进入功率检波；
所述信号处理单元包括温度传感器、ADC采样模块、信号处理芯片、光电转换模块、Flash模块和通信模块；其输入端通过所述ADC采样模块连接至所述射频通道单元和微波检波单元的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种宽带射频功率测量系统，其特征在于：所述射频机电开关带有50欧姆的负载，保证输出切换信号时不会导致射频通道功率的波动。
3.根据权利要求1所述的一种宽带射频功率测量系统，其特征在于：所述微波检波单元包括功分器，所述功分器两路输出分别连接信号检波器和功率检波器并输出对应信号的波形和功率。
4.根据权利要求3所述的一种宽带射频功率测量系统，其特征在于：所述检波器为对数检波器，包括依次连接的检波二极管、对数运算器和运算放大器，射频输入进入检波二极管进行信号检波，再进行对数运算，最后将输入功率和输出电压变换为线性关系。
5.根据权利要求3所述的一种宽带射频功率测量系统，其特征在于：所述功率检波器对正反信号进行功率检波，包括依次连接的检波二极管和运算放大器，其检波输出至所述ADC采样模块。
6.根据权利要求1所述的一种宽带射频功率测量系统，其特征在于：所述信号处理单元采用FPGA信号处理芯片，完成功率测量的校准、对环境温度进行测量、对外部输入的两路脉冲电压电流信号进行采样、对外部的检波电压进行采样分析，并计算出功率值；其输入端分别连接所述温度传感器、ADC采样模块，输出端连接光电转换模块、Flash模块，并连接通信模块与其他设备形成通信连接。
7.根据权利要求1和6所述的一种宽带射频功率测量系统，其特征在于：所述ADC采样模块有若干个，其输入端采集的信号包括正向信号和方向信号的波形和功率、驱动信号的功率以及阴极电压、电流。
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