CN113109620A - 一种大功率射频信号的功率测量电路 - Google Patents

一种大功率射频信号的功率测量电路 Download PDF

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邵玉斌
唐维康
龙华
杜庆治
杨贵安
刘晶
陈亮
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Abstract

本发明涉及一种大功率射频信号的功率测量电路，属于射频信号的功率测量技术领域。本发明包括衰减电路，直流放大电路和电压转换电路.所述衰减电路与直流放大电路相连，所述直流放大电路与电压转换电路相连。本发明为大功率射频信号的功率测量提供了有效、简便的可行性方案。除此之外还拥有很低的测量误差，电路中采用的元器件均为成熟的元器件，一定程度上可以有较高性能，可降低投入的成本价钱。

Description

一种大功率射频信号的功率测量电路
技术领域
本发明涉及一种大功率射频信号的功率测量电路，属于射频信号的功率测量的技术领域。
背景技术
随着社会的不断进步，人们获取信息的的方式也是不断在增多，通过射频信号的传输也是信息传输的一种途径。射频信号的功率参数作为射频监控的重要一部分，实时显现着射频信号的发射质量和发射状况，方便发射台根据监控情况实时调整。实际情况中往往有很多大功率的射频信号，功率的增大对于我们的测量也提出了难度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种大功率射频信号的功率测量电路，解决普通的射频信号可以直接进行测量，而对于大功率的射频信号是不可以直接测量的问题，加入大功率射频信号的衰减电路，而且采用了8位的数模转换器件，提高了测量精度，电路中采用的元器件为常用元器件，节省了成本。
本发明的技术方案是：一种大功率射频信号的功率测量电路，首先将大功率的射频信号进行衰减，将信号功率控制在二极管检波电路的接受范围以内，再利用8位的模数转换器进行电压采集，再计算出功率，从而实现大功率射频信号的功率测量。
具体包括：
衰减电路，所述衰减电路的AT2-IN端接入大功率射频信号，外部设备对Control端进行控制，由电阻R16和可变电阻VR9形成两路分压电路，对大功率的射频信号进行衰减。
直流放大电路，所述直流放大电路与衰减电路相连，衰减电路输出的经过二极管检波后电压很弱，需要通过一个三极管的放大，而可变电阻RW2控制着放大倍数。
电压转换电路，所述电压转换电路与直流放大电路相连，经过三极管放大后的电压比较高，不在我们的测量范围，利用高速硅开关二极管可以达到降压功能，随后接入8位高速数模转换器进行测量。
所述衰减电路包括输入端AT2-IN，输出端OUT2，型号为EL817的光耦合器U1，型号为S8050的三极管放大器，二极管D1，继电器K1，可变电阻VR9，电阻R7、R8、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17，排针JP4、JP5、JP6、JP7、JP8、JP9、JP10、JP11，电容C1。
所述排针JP4的左端与输入端AT2-IN相连，JP4的右端与电阻R14的左端相连。所述电阻R14的右端与电阻R16的下端相连，电阻R16的上端与GND相连。所述电阻R15的左端与电阻R16的下端相连，R15的右端与继电器的4端相连。所述继电器K1的4端与电阻R15相连，继电器K1的3端与排针JP11相连，继电器K1的5端与电阻R14相连，继电器K1的1端与二极管D1下端相连，继电器K1的2端与二极管D1上端相连。所述排针JP11的上端与继电器K1的3端相连，下端与输出端OUT2相连。所述排针JP10的右端与输出端OUT2相连，左端与可变电阻VR9相连，可变电阻VR9的下端与三极管Q1的集电极相连。所述三极管Q1的发射级与GND相连，基级与电阻R10的右端相连。所述电阻R10的左端与排针JP12的下端相连。所述排针JP12的下端与电阻R10的左端相连，上端与排针JP9的下端相连。所述排针JP5的左端与输入端AT2-IN，右端与电容C1的左端相连。所述电容C1的左端与排针JP5的右端相连，右端与排针JP6相连。所述电阻R11左端与排针JP6右端相连，右端与可变电阻VR9上端相连。所述电阻R7左端与排针JP7右端相连，右端与可变电阻VR9上端相连。所述电阻R12左端与排针JP8相连，右端与可变电阻VR9上端相连。所述光耦合器U1的输入上端与R17相连，输入下端与排针JP9相连，输出上端与VCC相连，输出下端与R13相连。所述二极管D1上端与VCC相连，D1下端与与继电器K1的1端相连。所述电阻R13的左端与光耦合器U1的输出下端相连，右端与三极管基极相连。所述电阻R17的上端与光耦合器U1的输入上端相连，下端与VCC相连。所述电阻R8的上端与VCC相连，下端与电阻R10的左端相连。所述电阻R10的左端与JP12相连，右端与三极管基极相连。
所述直流放大电路(2)包括输入端SIG_IN，输出端RV_OUT，电阻R30、R31、R33、R34，三极管Q3，型号为1N60P的二极管D5，电容C38、C39、C40、C41，可变电阻VR8。
所述二极管D5的左端与输入端SIG_IN相连，右端与电容C38相连。所述电容C38的上端与电阻R30相连，下端与GND相连。所述电阻R30上端与电阻R31相连，下端与电容C38下端相连。所述电阻R31上端与电阻R30相连，下端与电容C39相连。所述电容C39上端与电阻R33下端相连，下端与GND相连。所述电阻R33的上端与可变电阻VR8下端相连，下端与三极管Q3的基极相连。可变电阻RW2的上端与电容C41相连，下端与电阻R33相连。所述电容C41的左端与GND相连，右端与电阻R34相连。所述三极管的基极与电阻R33的下端相连，集电极与电阻R34相连，发射极与电阻R35相连。所述电阻R35上端与三极管的发射极相连，下端与GND相连。所述电阻R34的上端与+12V相连，下端与电容C40相连。所述电容C40的上端与GND相连，下端与输出端RV_OUT相连。
所述电压转换电路(3)包括输入端RG_IN，型号为1N4148的高速硅开关二极管D1、D2、D3、D4，型号为PCF8591的模数转换器U2，电阻R9。
所述输入端RG_IN的左端与直流放大电路的输出端RV_OUT相连，右端与二极管D1的上端相连。所述二极管D1的上端与输入端RG_IN相连，下端与二极管D2的上端相连。所述二极管D2的上端与二极管D1的下端相连，下端与二极管D3下端相连。所述二极管D3的上端与二极管的，下端与二极管D2的下端相连。所述二极管D4的上端与电阻R9相连，下端与二极管D3的上端相连。所述电阻R9的左端与二极管D4的上端相连，右端与GND相连。模数转换器U2的AIN0端接入二极管D4的上端，U2的SDA端接入外部嵌入式设备的数据线。U2的SCL端接入外部嵌入式设备的控制线。U2的VCC接入5v电源。
本发明的有益效果是：大功率射频信号进入衰减电路后，外部设备可以通过Control端来控制衰减与否，可以根据排针的布局来自由切换衰减方案。
在直流压降部分，本发明采用了高速硅开关二极管，它不仅具有让电流高速导通和截至的能力，还可以避免高频的干扰，经过高速硅开关二极管的降压后，电压在模数转换器的可接受范围，模数转换器采用了8位高速转换，提高了测量精度。
附图说明
图1是本发明的衰减电路图；
图2是本发明的直流放大电路图；
图3是本发明的电压转换电路图；
图4是本发明实施例中高速硅开关二极管正向压降随电流变化曲线图。
图中：1-衰减电路，2-直流放大电路，3-电压转换电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
一种大功率射频信号的功率测量电路，首先将大功率的射频信号进行衰减，将信号功率控制在二极管检波电路的接受范围以内，再利用8位的模数转换器进行电压采集，再计算出功率，从而实现大功率射频信号的功率测量。
具体包括：
衰减电路1，所述衰减电路1的AT2-IN端接入大功率射频信号，外部设备对Control端进行控制，由电阻R16和可变电阻VR9形成两路分压电路，对大功率的射频信号进行衰减。
直流放大电路2，所述直流放大电路2与衰减电路1相连，衰减电路1输出的经过二极管检波后电压很弱，需要通过一个三极管的放大，而可变电阻RW2控制着放大倍数。
电压转换电路3，所述电压转换电路3与直流放大电路2相连，经过三极管放大后的电压比较高，不在测量范围，利用高速硅开关二极管可以达到降压功能，随后接入8位高速数模转换器进行测量。
如图1所示，所述衰减电路包括输入端AT2-IN，输出端OUT2，型号为EL817的光耦合器U1，型号为S8050的三极管放大器，二极管D1，继电器K1，可变电阻VR9，电阻R7、R8、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17，排针JP4、JP5、JP6、JP7、JP8、JP9、JP10、JP11，电容C1。
所述排针JP4的左端与输入端AT2-IN相连，JP4的右端与电阻R14的左端相连。所述电阻R14的右端与电阻R16的下端相连，电阻R16的上端与GND相连。所述电阻R15的左端与电阻R16的下端相连，R15的右端与继电器的4端相连。所述继电器K1的4端与电阻R15相连，继电器K1的3端与排针JP11相连，继电器K1的5端与电阻R14相连，继电器K1的1端与二极管D1下端相连，继电器K1的2端与二极管D1上端相连。所述排针JP11的上端与继电器K1的3端相连，下端与输出端OUT2相连。所述排针JP10的右端与输出端OUT2相连，左端与可变电阻VR9相连，可变电阻VR9的下端与三极管Q1的集电极相连。所述三极管Q1的发射级与GND相连，基级与电阻R10的右端相连。所述电阻R10的左端与排针JP12的下端相连。所述排针JP12的下端与电阻R10的左端相连，上端与排针JP9的下端相连。所述排针JP5的左端与输入端AT2-IN，右端与电容C1的左端相连。所述电容C1的左端与排针JP5的右端相连，右端与排针JP6相连。所述电阻R11左端与排针JP6右端相连，右端与可变电阻VR9上端相连。所述电阻R7左端与排针JP7右端相连，右端与可变电阻VR9上端相连。所述电阻R12左端与排针JP8相连，右端与可变电阻VR9上端相连。所述光耦合器U1的输入上端与R17相连，输入下端与排针JP9相连，输出上端与VCC相连，输出下端与R13相连。所述二极管D1上端与VCC相连，D1下端与与继电器K1的1端相连。所述电阻R13的左端与光耦合器U1的输出下端相连，右端与三极管基极相连。所述电阻R17的上端与光耦合器U1的输入上端相连，下端与VCC相连。所述电阻R8的上端与VCC相连，下端与电阻R10的左端相连。所述电阻R10的左端与JP12相连，右端与三极管基极相连。
将JP4、JP9、JP11闭合，采用了继电器衰减方案，当外部设备对Control输入低电平，5V电压经过R17将U1模块导通，继而将Q2三极管导通，继电器导通衰减电路。电阻R13的右端与三极管Q2的基极相连，起到限流保护的作用，当三极管工作在饱和区，发射极与集电极之间如同开关接通；电阻R14、R15、R16构成分压形式，R16的阻值本发明中为500Ω，衰减为33dBm。当Control输入高电平，U1不导通，此时不衰减。
将JP5、JP10、JP12闭合，采取直接衰减方案，当Control输入低电平，5V电压经过R8形成回路，Q1不导通，信号直接经过R11/R7/R12输出。当Control输入高电平，5V电压经过R10共同使得发射结和集电结均处于正向偏置，Q1导通，R9和R11/R7/R12形成分压电路进行衰减。所述三极管Q1的型号为S8050。
Figure BDA0002960015480000041
Figure BDA0002960015480000051
表1：采用继电器衰减的实验记录表
如图2所示，所述直流放大电路(2)包括输入端SIG_IN，输出端RV_OUT，电阻R30、R31、R33、R34，三极管Q3，型号为1N60P的二极管D5，电容C38、C39、C40、C41，可变电阻VR8。
所述二极管D5的左端与输入端SIG_IN相连，右端与电容C38相连。所述电容C38的上端与电阻R30相连，下端与GND相连。所述电阻R30上端与电阻R31相连，下端与电容C38下端相连。所述电阻R31上端与电阻R30相连，下端与电容C39相连。所述电容C39上端与电阻R33下端相连，下端与GND相连。所述电阻R33的上端与可变电阻VR8下端相连，下端与三极管Q3的基极相连。可变电阻RW2的上端与电容C41相连，下端与电阻R33相连。所述电容C41的左端与GND相连，右端与电阻R34相连。所述三极管的基极与电阻R33的下端相连，集电极与电阻R34相连，发射极与电阻R35相连。所述电阻R35上端与三极管的发射极相连，下端与GND相连。所述电阻R34的上端与+12V相连，下端与电容C40相连。所述电容C40的上端与GND相连，下端与输出端RV_OUT相连。
衰减后的信号经过二极管检波电路后，将调频信号中的下半部分去掉，保留上包络信号上半部分的高频载波部分。R31和C39构成无源低通滤波器，将检波后的信号整理成直流(交流导地)，同时检波后的直流电压降低，需要进行放大。直流信号输入到三极管Q3的基极，R34的上端接入+12V电源，R34的下端连接三极管Q3的发射极，R34的上端与三极管Q3的集电极相连，R34的下端与GND相连，形成集电极电压大于基极电压，基极电压大于发射极电压，使三极管Q3处于放大状态，通过对可变电阻RW2的调节来控制放大倍数。所述三极管Q3的型号为9014；
对直流信号的放大采用的是共射放大电路。
该共射放大电路流经集电极的电流的表达式为：
Figure BDA0002960015480000052
三极管基区的电阻为Rb'e，其阻值很大，在千欧级别，根据式1，其表达式为：
Figure BDA0002960015480000053
式2中β为三极管放大倍数，跟三极管本身特性有关。
该共射放大电路放大倍数的表达式为：
Figure BDA0002960015480000061
Rbb'是由基极引线电阻和基区体电阻组成的，其大小与三极管本身有关。由于Rb'e阻值特别大，在该电路中Rbb'可以忽略。
式3中RL'是集电极上的电阻R34，Re就是发射极上的电阻R35。
如图3所示，所述电压转换电路(3)包括输入端RG_IN，型号为1N4148的高速硅开关二极管D1、D2、D3、D4，型号为PCF8591的模数转换器U2，电阻R9。
所述输入端RG_IN的左端与直流放大电路的输出端RV_OUT相连，右端与二极管D1的上端相连。所述二极管D1的上端与输入端RG_IN相连，下端与二极管D2的上端相连。所述二极管D2的上端与二极管D1的下端相连，下端与二极管D3下端相连。所述二极管D3的上端与二极管的，下端与二极管D2的下端相连。所述二极管D4的上端与电阻R9相连，下端与二极管D3的上端相连。所述电阻R9的左端与二极管D4的上端相连，右端与GND相连。模数转换器U2的AIN0端接入二极管D4的上端，U2的SDA端接入外部嵌入式设备的数据线。U2的SCL端接入外部嵌入式设备的控制线。U2的VCC接入5v电源。
电容C40的上端与GND相连，C40的下端接入放大后的直流信号，做到再次将交流信号导地。由于三极管Q3放大后的电压在5～7V,不在模数转换器U2的转换范围，需要进行压降，利用型号为1N4148的高速硅开关二极管的软恢复特性和很强的过载能力进行直流压降。用8位高速的模数转换设备将压降后的电压进行转换，进一步的提高了测量精度。
1N4148的高速硅开关二极管的正向压降随电流变化曲线图如图4所示。Tj表示的是是PN结温度，横轴表示压降，纵轴表示流经电流。
设单个二极管的降压大小为UE，则有
UF＝UD-4×UE (4)
式4中UF为压降以后的电压，也是模数转换的电压，UD为三极管Q3放大后的电压。
根据高速硅开关二极管的变化曲线，在流经电流If＝0.3mA的情况，其压降UE为0.6V。经过4个高速硅开关二极管的压降后，合理的将电压控制在0～5V，满足模数转换器的转换范围。
Figure BDA0002960015480000062
Figure BDA0002960015480000071
表2：8位模数转换器转换结果的实验记录表
表2中实际电压利用万用表测量所得，转换电压是经过模数转换设备U2转换所得，从中可见采用的8位的模数转换设备精度很高。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种大功率射频信号的功率测量电路，其特征在于：包括衰减电路(1)，直流放大电路(2)和电压转换电路(3)；所述衰减电路(1)与直流放大电路(2)相连，所述直流放大电路(2)与电压转换电路(3)相连。
2.根据权利要求1所述的大功率射频信号的功率测量电路，其特征在于：所述衰减电路(1)包括输入端AT2-IN，输出端OUT2，型号为EL817的光耦合器U1，型号为S8050的三极管放大器，二极管D1，继电器K1，可变电阻VR9，电阻R7、R8、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17，排针JP4、JP5、JP6、JP7、JP8、JP9、JP10、JP11，电容C1；
所述排针JP4的左端与输入端AT2-IN相连，JP4的右端与电阻R14的左端相连；所述电阻R14的右端与电阻R16的下端相连，电阻R16的上端与GND相连；所述电阻R15的左端与电阻R16的下端相连，R15的右端与继电器的4端相连；所述继电器K1的4端与电阻R15相连，继电器K1的3端与排针JP11相连，继电器K1的5端与电阻R14相连，继电器K1的1端与二极管D1下端相连，继电器K1的2端与二极管D1上端相连；所述排针JP11的上端与继电器K1的3端相连，下端与输出端OUT2相连；所述排针JP10的右端与输出端OUT2相连，左端与可变电阻VR9相连，可变电阻VR9的下端与三极管Q1的集电极相连；所述三极管Q1的发射级与GND相连，基级与电阻R10的右端相连；所述电阻R10的左端与排针JP12的下端相连；所述排针JP12的下端与电阻R10的左端相连，上端与排针JP9的下端相连；所述排针JP5的左端与输入端AT2-IN，右端与电容C1的左端相连；所述电容C1的左端与排针JP5的右端相连，右端与排针JP6相连；所述电阻R11左端与排针JP6右端相连，右端与可变电阻VR9上端相连；所述电阻R7左端与排针JP7右端相连，右端与可变电阻VR9上端相连；所述电阻R12左端与排针JP8相连，右端与可变电阻VR9上端相连；所述光耦合器U1的输入上端与R17相连，输入下端与排针JP9相连，输出上端与VCC相连，输出下端与R13相连；所述二极管D1上端与VCC相连，D1下端与与继电器K1的1端相连；所述电阻R13的左端与光耦合器U1的输出下端相连，右端与三极管基极相连；所述电阻R17的上端与光耦合器U1的输入上端相连，下端与VCC相连；所述电阻R8的上端与VCC相连，下端与电阻R10的左端相连；所述电阻R10的左端与JP12相连，右端与三极管基极相连。
3.根据权利要求1所述的大功率射频信号的功率测量电路，其特征在于：所述直流放大电路(2)包括输入端SIG_IN，输出端RV_OUT，电阻R30、R31、R33、R34，三极管Q3，型号为1N60P的二极管D5，电容C38、C39、C40、C41，可变电阻VR8；
所述二极管D5的左端与输入端SIG_IN相连，右端与电容C38相连；所述电容C38的上端与电阻R30相连，下端与GND相连；所述电阻R30上端与电阻R31相连，下端与电容C38下端相连；所述电阻R31上端与电阻R30相连，下端与电容C39相连；所述电容C39上端与电阻R33下端相连，下端与GND相连；所述电阻R33的上端与可变电阻VR8下端相连，下端与三极管Q3的基极相连；可变电阻RW2的上端与电容C41相连，下端与电阻R33相连；所述电容C41的左端与GND相连，右端与电阻R34相连；所述三极管的基极与电阻R33的下端相连，集电极与电阻R34相连，发射极与电阻R35相连；所述电阻R35上端与三极管的发射极相连，下端与GND相连；所述电阻R34的上端与+12V相连，下端与电容C40相连；所述电容C40的上端与GND相连，下端与输出端RV_OUT相连。
4.根据权利要求1所述的大功率射频信号的功率测量电路，其特征在于：所述电压转换电路(3)包括输入端RG_IN，型号为1N4148的高速硅开关二极管D1、D2、D3、D4，型号为PCF8591的模数转换器U2，电阻R9；
所述输入端RG_IN的左端与直流放大电路的输出端RV_OUT相连，右端与二极管D1的上端相连；所述二极管D1的上端与输入端RG_IN相连，下端与二极管D2的上端相连；所述二极管D2的上端与二极管D1的下端相连，下端与二极管D3下端相连；所述二极管D3的上端与二极管的，下端与二极管D2的下端相连；所述二极管D4的上端与电阻R9相连，下端与二极管D3的上端相连；所述电阻R9的左端与二极管D4的上端相连，右端与GND相连；模数转换器U2的AIN0端接入二极管D4的上端，U2的SDA端接入外部嵌入式设备的数据线；U2的SCL端接入外部嵌入式设备的控制线；U2的VCC接入5v电源。
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