CN109596213B - 超宽带冲激窄脉冲功率测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超宽带冲激窄脉冲功率测量技术，可用于超宽带雷达、超宽带无线电探测器和超宽带通信等领域。该测量技术由中控单元、同步脉冲形成、扫描脉冲形成、延迟线、积分积累、中频处理、中频功率检波和AD量化组成。中控单元控制可编程延迟线，使扫描脉冲在超宽带脉冲的重复周期内滑动，对被测窄脉冲实施取样、积分积累和脉冲展宽，转换为中频宽脉冲；经中频滤波、放大、包络检波、AD采样，送入中控单元进行数字域处理，根据校准的超宽带冲激窄脉冲幅度‑中频宽脉冲幅度关系曲线，查表确定被测窄脉冲功率。与现有技术相比，该技术可实现纳秒甚至皮秒量级窄脉冲的功率测量，并具有体积小，重量轻，成本低等诸多优点。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲功率测量领域，具体涉及一种超宽带冲激窄脉冲功率测量技术及测量设备。该超宽带冲激窄脉冲功率测量方法，可实现对纳秒甚至皮秒量级冲激窄脉冲功率的测量，避免使用昂贵的大带宽、高采样率示波器，为超宽带雷达、超宽带无线电探测器、超宽带通信设备等提供一种低成本、便携、可靠、通用的冲激窄脉冲功率测量方法。
背景知识技术
目前对信号功率的测量常用两种方法：热量测量法和检波测量法。热量测量法中主要用到热效应功率传感器，如热敏电阻、镇流电阻、热电偶和量热计等。但是，这些传感器的输出与输入射频脉冲相比，都有较大的时间常数，其响应跟不上脉冲包络的变化，故不能准确实时测量脉冲峰值功率，只能显示稳态时射频脉冲重复周期内的平均功率。检波测量法，可以检波出一般脉冲信号的幅度包络，从而根据输入功率与输出电压的线性关系测出峰值功率。该方法通过射频检波器检测出射频脉冲包络，然后A/D采集被测脉冲包络，采集结果输入到处理器进行数据处理，得到脉冲功率的测量值。
对于超宽带冲激窄脉冲信号，脉冲宽度在纳秒甚至皮秒量级，目前射频检波器的响应速度通常在十几纳秒到几十纳秒，显然无法满足如此窄的脉冲包络检测要求。如果采用AD直接采集射频脉冲，对AD采样速度、处理器的处理速度、大容量数据存取等都提出了很高的要求。根据奈奎斯特采样定理，AD采样率至少要几个GHz甚至几十GHz，处理器的数据吞吐率将达到几个Gbps到十几个Gbps，数据存储和处理难度陡增，成本高昂，且实现的技术难度很大。目前市售高采样率、大带宽的示波器，如是的科技InfiniiVision 6000系列、泰克MSO64等，均是采用这种“高速AD采集+高速处理器”的方案，其售价接近二十万人民币。这些高速示波器测量超宽带冲激窄脉冲功率虽然准确可靠，但是普通用户难以接受其高成本。
发明内容
针对现有功率测量方法无法测量超宽带冲激窄脉冲的缺陷，且通用大带宽、高采样率示波器成本高、体积大的问题，本发明提出了一种适用于超宽带冲激窄脉冲信号的功率测量方法，满足超宽带体制雷达、超宽带无线电探测器、超宽带通信等设备的功率检测需求。
为实现上述功能，本发明采用以下技术方案：同步脉冲形成电路产生与被测超宽带冲激窄脉冲同步的时间基准，中控单元控制程控延迟线实现脉冲扫描，该扫描脉冲在超宽带脉冲的重复周期内线性滑动扫描，对被测超宽带冲激窄脉冲进行取样、积分积累和脉冲展宽，实现超宽带冲激窄脉冲到中频宽脉冲的变换。中频电路对生成的中频宽脉冲信号进行滤波、放大，再由中频检波二极管变换为视频包络。AD对视频包络采样后送入中控单元处理，通过提前校准的“超宽带冲激窄脉冲幅度-中频宽脉冲幅度”对应关系曲线，查表确定被测超宽带冲激窄脉冲的真实功率。整个功率测量系统由中控单元、同步脉冲形成、扫描脉冲形成、延迟线、积分积累、中频处理、中频功率检波和AD量化等组成。
为保证功率测量精度，上述超宽带冲激窄脉冲功率测量设备通过自动化测试程序，预先测量出冲激窄脉冲功率与中频宽脉冲功率的对应曲线并保存，当测量未知功率的冲激窄脉冲时，只需测出中频宽脉冲的功率，通过插值或查表即可获得冲激窄脉冲的功率。
为实现中频宽脉冲的功率测量，设计了基于“AD+MCU”的低成本中频功率测量电路，该电路利用低成本、16bit大动态范围模数变换器(AD)采集中频信号，在微程序控制器(MCU)中利用门限检测、数字滤波、均值去噪、数值计算等数字处理技术检测出中频脉冲的起止时间和宽度，并准确计算出中频脉冲的功率。
同现有技术相比，本发明的优点是：适用于超宽带冲激窄脉冲的功率测量，可测量纳秒甚至皮秒量级的脉冲功率；整体结构紧凑，体积小；通过低成本器件和电路，将难度极大的超宽带冲激窄脉冲功率测量问题转换为容易实现的中频宽脉冲功率测量问题，成本低，适用于普通用户，便于推广应用。
附图说明
本发明附图说明如下：
图1是本发明的超宽带冲激脉冲功率测量原理框图；
图2是本发明的积分积累电路原理图。
具体实施方式
本发明结构如图1所示，具体包括：(1)中控单元、(2)同步脉冲形成、(3)扫描脉冲形成、(4)延迟线、(5)积分积累、(6)中频处理、(7)中频功率检波、(8)AD量化。被测超宽带冲激窄脉冲首先经过(4)延迟线时延30ns，然后进入(5)积分积累。被测电路的定时器输出同步信号，经(2)同步脉冲形成处理后作为时间基准送给(3)扫描脉冲形成，从而输出同步扫描脉冲。扫描脉冲与延迟后的被测信号在(5)积分积累中完成脉冲取样、积分积累和脉冲展宽，超宽带冲激窄脉冲转换为中频宽脉冲，进入(6)中频处理。(6)中频处理对中频宽脉冲信号进行滤波、放大处理后，由(7)中频功率检波取出中频脉冲的包络，该包络信号为视频信号，经(8)AD量化转为数字信号后送入(1)中控单元处理。(1)中控单元采用门限检测、数字滤波、均值去噪等技术确定脉冲起止时间、脉冲宽度，并通过数值计算得到中频脉冲的功率，然后通过查表确定待测超宽带冲激窄脉冲的功率值。
具体实现方法如下：
超宽带冲激窄脉冲的功率测量不采用直接测量的方法，而是将高速窄脉冲转换为低频宽脉冲，进而使用低成本的常规器件和手段完成功率的测量。当需要测量被测电路的输出功率时，需断开超宽带脉冲形成电路与天线的连接，将被测电路输出连接到(4)延迟线的输入端，中控单元通过检测(8)AD量化的中频功率的大小即可确定超宽带冲激脉冲的功率大小。
(4)延迟线由固定长度的同轴电缆构成，或者采用有源延迟芯片实现，通过设计计算实现30ns的延迟。本发明采用低损耗稳相同轴电缆，实现30ns的固定延迟，同时该延迟线对信号衰减很小，且波形失真几乎可以忽略。
由于被测超宽带冲激窄脉冲相对于发射触发脉冲的时间关系确定，为了将超宽带冲激窄脉冲转换为中频宽脉冲，需要产生一路相对被测信号在时间上滑动的扫描脉冲。为此，从被测电路的定时器中取出同步信号，由(2)同步脉冲形成产生同步时间基准，再经过(3)扫描脉冲形成里的程控延迟线产生扫描脉冲。该扫描脉冲在(1)中控单元的控制下可以在超宽带信号的周期内连续扫描，搜索被测超宽带冲激窄脉冲。
扫描脉冲与时延的被测超宽带冲激窄脉冲在(5)积分积累中进行取样、积分积累，实现脉冲展宽和降频，输出中频宽脉冲。(5)积分积累的电路原理如图2所示，使用集成封装的一对共阴极高频二极管作为开关，以扫描脉冲为控制信号，对超宽带冲激脉冲信号进行取样。回波信号与二极管的阳极相连，利用扫描脉冲控制二极管的通断，最后用高共模抑制比的仪表放大器进行放大。由于(5)积分积累为非线性环节，产生的中频宽脉冲功率与输入的超宽带冲激窄脉冲功率并非简单的线性关系，需要提前进行校准并在(1)中控单元中存储校准曲线和数据。实际测量时，根据中频测量值查表确定超宽带冲激窄脉冲的真实功率。
(6)中频处理由低噪声运算放大器组成带通滤波器和低噪声放大器，滤除带外干扰和噪声，并对中频信号进行放大，使得中频功率检波(7)的输出包络电压在AD的动态范围内，充分利用AD的16位量化位数。
中频功率检波采用普通检波二极管实现，由于中频信号的脉冲宽带已经展宽为微秒甚至毫秒量级，载频在kHz量级，因此对检波二极管的响应速度、带宽并无特别要求，普通检波器件即可完成该功能，大大降级了检波环节的设计难度和成本。
中控单元为超宽带冲激脉冲功率测量电路的主控制器，它实现以下功能：
1、控制(3)扫描脉冲形成形成时间域线性滑动的扫描脉冲，从而实现对重复周期内超宽带冲激窄脉冲信号的搜索；
2、对(8)AD量化的信号进行处理，判决信号有无，当存在信号时给出测量结果。当没有超宽带冲激脉冲时，AD量化输出为低幅值离散噪声信号，中控单元给出无信号输入的判决结果。当有超宽带冲激脉冲时，中控单元接收AD将采样量化的中频宽脉冲序列，实施数字信号处理，并通过查表给出超宽带冲激脉冲的功率值。
中控单元采用嵌入式系统开发，成本低，开发难度小，内部自带的存储空间满足系统对数据存储和处理时的容量需求。
Claims (3)
1.超宽带冲激窄脉冲功率测量方法，其特征在于：所述的测量方法是通过超宽带冲激窄脉冲功率测量设备实现的，通过时域展宽和频域变换，可测量纳秒或皮秒级别的窄脉冲功率，超宽带冲激窄脉冲功率测量设备包括以下部件：中控单元(1)、同步脉冲形成单元(2)、扫描脉冲形成单元(3)、延迟线(4)、积分积累单元(5)、中频处理单元(6)、中频功率检波单元(7)、AD量化单元(8)，
被测超宽带冲激窄脉冲首先经过延迟线(4)时延30ns，然后进入积分积累单元(5)，被测电路的定时器输出同步信号，经同步脉冲形成单元(2)处理后作为时间基准送给扫描脉冲形成单元(3)，从而输出同步扫描脉冲，扫描脉冲与延迟后的被测信号在积分积累单元(5)中完成脉冲取样、积分积累和脉冲展宽，超宽带冲激窄脉冲转换为中频宽脉冲，进入中频处理单元(6)，中频处理单元(6)对中频宽脉冲信号进行滤波、放大处理后，由中频功率检波单元(7)取出中频脉冲的包络，该包络信号为视频信号，经AD量化单元(8)转为数字信号后送入中控单元(1)处理，中控单元(1)采用门限检测、数字滤波、均值去噪技术确定脉冲起止时间、脉冲宽度，并通过数值计算得到中频脉冲的功率，然后通过查表确定待测超宽带冲激窄脉冲的功率值；中控单元(1)为超宽带冲激脉冲功率测量电路的主控制器，它实现以下功能：1、控制扫描脉冲形成单元(3)形成时间域线性滑动的扫描脉冲，从而实现对重复周期内超宽带冲激窄脉冲信号的搜索；2、对AD量化单元(8)的信号进行处理，判决信号有无，当存在信号时给出测量结果，当没有超宽带冲激脉冲时，AD量化单元(8)输出为低幅值离散噪声信号，中控单元(1)给出无信号输入的判决结果；
积分积累单元(5)使用集成封装的一对共阴极高频二极管作为开关，以扫描脉冲为控制信号，对超宽带冲激脉冲信号进行取样，回波信号与二极管的阳极相连，利用扫描脉冲控制二极管的通断，最后用高共模抑制比的仪表放大器进行放大。
2.根据权利要求1所述的超宽带冲激窄脉冲功率测量方法 ，其特征在于：通过延迟线(4)对被测超宽带冲激窄脉冲实施固定延迟，通过扫描脉冲形成单元(3)对同步脉冲实施程控线性扫描延迟，并利用积分积累单元(5)完成超宽带窄脉冲到中频宽脉冲的转换。
3.根据权利要求1所述的超宽带冲激窄脉冲功率测量方法 ，其特征在于：采用高精度AD(模数变换器)、高线性中频功率检波器实现高精度中频宽脉冲功率测量。
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