（电磁场与微波技术专业论文）射频功率测量方法研究与电路设计.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 测量对科学的发展是非常重要和必需的，甚至可以说没有测量就没有科学。 在电信号的直流或低频段，电压、电流和阻抗是电信号的基本被测参量，但是在 射频段的应用技术中功率测量像电压测量一样重要。随着通信、广播电视行业的 飞速发展，对射频中功率准确测量的要求也越来越高。 1 本文基于公式p 一喜田c o s 妒( u 、i 为电压、电流的峰值) ，主要利用模拟 z 乘法器、低通滤波器、电流互感器、分压器、运算放大器和电流表等，设计出一 种射频功率测量的新方法，称为乘法式射频功率测量法。此设计与传统的通过式 射频功率测量法相比，用一个电流表就可直接读出作用在负载上的功率值( 通过 式要用两个电流表) ，减少了读取功率值时的误差，并且流过电流表的电流与所 测射频功率成正比关系。 本文首先介绍了乘法式与通过式射频功率测量法的原理，又给出了电流互感 器、分压器、模拟乘法器、低通滤波器、运算放大器等模块的设计参数，接着分 析了两种测试方法的异同点，并从理论上推测乘法式射频功率测量法的测试精度 要高于通过式射频功率测量法的测试精度。 为了验证设计电路的可行性，用p r o t e l 9 9 s e 对乘法式射频功率测量电路进 行了仿真。仿真的结果证明了所测射频功率与流过电流表的电流成正比关系。最 后，又用相应的实验方法对设计的电路进行分析，分析的结果验证了设计电路的 可行性。 关键词：射频功率测量；通过式射频功率测量法；乘法式射频功率测量法 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e a s u r e m e n tt e c h n i q u ei si m p o r t a n ta n dn e c e s s a r yf o rs c i e n c ed e v e l o p m e n t e v e nw ec a ns a yt h a tt h e r ew o u l db en os c i e n c ei ft h e r ew e r en om e a s u r e m e n t t e c h n i q u e v o l t a g e , c u r r e n ta n di m p e d a n c ea r eb a s i cm e a s u r e dp a r a m e t e r si nd c c i r c u i to r l o w - f r e q u e n c yc i r c u i t , b u t i n r a d i o f r e q u e n c y 承f ) s y s t e m ， p o w e r - m e a s u r i n gi sa si m p o r t a n ta sv o l t a g e - m e a s u r i n g t h ea c c u r a c yr e q u i r e m e n t o fr fp o w e r - m e a s u r i n gi sm o r ea n dm o r eh i g hw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m m u n i c a t i o na n db r o a d c a s tt e l e v i s i o ni n d u s t r y an e wr fp o w e r - m e a s u r i n gm e t h o da n dt h em e a s u r i n gc i r c u i ta r ei n t r o d u c e di n 1 t h i sp a p e r b a s e d0 1 1t h ef o r m u l a p 一寺u i c o s ( ua n dia r ep e a kv a l u eo fv o l t a g e 厶 a n dc u r r e n t ) ，a n a l o gm u l t i p l i e r , l o w - p a s sf i l t e r , a r eu s e di nt h ed e s i g no fr f p o w e r - m e a s u r i n gc i r c u i t , a n d t h i sm e t h o di sc a l l e dm u l t i p l i c a t i o n s t y l e r f p o w e r - m e a s u r i n gm e t h o d c o m p a r e dw i t hf e e d - t h r o u g hs t y l er fp o w e r - m e a s u r i n g m e t h o d , t h i sd e s i g nr e d u c e se r r o ro fr e a d i n go u tp o w e rv a l u e n ep o w e rv a l u e o nt h el o a dc 缸b er e a do u td i r e c t l yb yu s i n go n l yo n ec u r r e n tm e t e r ( f e e d - t h r o u g h s t y l eu s i n gt w oc u r r e n tm e t e r s ) n ec u r r e n tt h r o u g ht h ec u r r e n tm e t e ri s d i r e c t p r o p o r t i o nw i t hm e a s u r i n gp o w e r t h ep r i n c i p l e so fm u l t i p l i c a t i o ns t y l er fp o w e r - m e a s u r i n gm e t h o da n d f e e d - t h r o u g hs t y l er fp o w e r - m e a s u r i n gm e t h o da r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r d e s i g n p a r a m e t e r so f c u r r e n t t r a n s f o r m e r ，b l e e d e r , a n a l o gm u l t i p l i e r ，l o w - p a s sf i l t e r , o p e r a t i o n a la m p l i f i e ra r eg i v e nf o rt h er fp o w e r - m e a s u r i n gc i r c u i t t h es a m ea n d d i f f e r e n tp o i n t so ft w ok i n d so fm e a s u r e m e n tm e t h o da r ea n a l y z e d a n a l y s i s s h o w st h a tt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fm u l t i p l i c a t i o ns t y l er fp o w e r - m e a s u r i n g m e t h o di sh i g h e rt h a nt h a to f t h ef e e d t h r o u g hs t y l er fp o w e r - m e a s u r i n gm e t h o d i no r d e rt o v e r i f y t h ef e a s i b i l i t yo fd e s i g nc i r c u i t , m u l t i p l i c a t i o ns t y l er f p o w e r - m e a s u r i n g c i r c u i tw a ss i m u l a t e d u s i n g p r o t e l 9 9 s es o f t w a r e t h e 郑州大学硕士学位论文 s i m u l a t i o nr e s u l tj u s t i f i e st h a tt h ec u r r e n tt h r o u g he l e c t r i cc u r r e n tm e t e ri sd i r e c t p r o p o r t i o nw i t hm e a s u r i n gp o w e r e x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tt ov e r i f yt h er f p o w e r - m e a s u r i n gc i r c u i t t h er e s u ro f 趾a l y s i si m p r o v e st h ef e a s i b i l i t yo fc i r c u i t d e s i g n k e yw o r d s ：r fp o w e r - m e a s u r l n g ；f e e d - t h r o u g hs t y l er fp o w e r - m e a s u r i n g m e t h o d ；m u l t i p l i c a t i o ns t y l er fp o w e r - m e a s u r i n gm e t h o d 郑州大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 没有测量就没有科学，测量是科学与现实的桥梁，是量与信息获取的手段。 物理量是客观对象状态和特性的共同描述，它的表现形式是量值，获得其量值才 可鉴定对象的状态和性能。通过测量才能获得物理量的量值。尤其是电量。 在电信号的直流或低频段，电压、电流和阻抗是电信号的基本被测参量。但 是，在射频段的应用技术中，电压、电流显示出明显的波动性质，直接测量波导 或传输线内电压和电流比较困难，且存在驻波时会有很大误差。比较精确的功率 测量比低频时更加困难，因而也显得尤为重要。射频功率测量设备不仅用于实验 室和测试部门的许多任务中【1 1 ，而且在一些需要实时功率测量的射频设备中作为 一个功率测量和显示部件是必不可少的。 自从第一台无线发射机诞生之时起，发射机的射频输出功率测量就成为工 程师们关心的课题。无线发射设备的输出功率是所有射频设备中最主要的技术参 数，也是用户订购和无线电管理部门关心的技术指标，它直接关系到整个系统的 通信质量f 2 l 。铡量很大功率( 例如电视发射机) 的商业方面的用途也是值得注意 的，每一百分点的测量误差表示相当大的补偿功率。例如，规定功率为i o i ( w 的 发射机厂家，对每1 的测量误差应给出i o o w 的附加功率才能保证验收时合格。 随着通信、广播电视行业的飞速发展，射频功率测量技术也在相应发展，对射频 中功率的准确测量的要求也越来越高【3 】。 1 2 射频功率测量的国内外发展现状 在2 0 世纪初，载波信号的开发促使人们同时研究射频功率的测量，大多数研 究方法都是以电能转换为热能为基本原理，称为量热式功率测量法。量熟式测试 法是先将射频功率转换为热能，测出其所产生的能量的总和，再将其转换为相应 的功率读数( 瓦特) ，其测试基本上不受信号波形的影响。长期以来，这一原理 是在任何频率上进行精确测量的唯一方式。量热式功率测量法中，射频信号的 “热功率”的测试精度约为9 6 至9 8 。量热式功率计的输入阻抗是标准的5 0q 。 郑州大学硕士学位论文 在功率测量中，量热式功率计替代了发射机的负载，也就是说，量热式功率计将 发射机的负载理想化了。所以说，量热式功率计所测得的结果是发射机在理想负 载时的输出功率；如果发射天线反馈系统的匹配情况良好，则这个结果可以真实 反映发射系统的输出情况；如果发射天线反馈系统的匹配不好，则量热式功率计 不能真实反映发射系统的情况。量热式功率测量法还不能直接测量反射功率。对 于大功率测量，则需要些高精度的测试附件配合完成，如衰减器和定向耦合器 等。量热式功率方法的成本、物理尺寸、测试响应时间、所需的附件设备、电缆 和交流电源都决定了它不能得到广泛的应用。 后来在1 9 5 2 年，b i r d 公司的创始人r a y m o n db i r d 发明了通过式功率计原理 一t h r u l i n e 技术。从此，通过式功率测量的工业标准一直沿用至今。通过式射 频功率计实际上是一种信号激励装置，采用了一个无源的二极管射频传感器。在 同轴线的一侧装有一个定向的半波二极管检波电路，并将其接到一个已校正的表 头以读出有效值功率。检波电路与传输线通过介质耦合，并根据置于传输线旁的 传感器的方向取样出正向和反射功率。当一个信号被检波电路取样时，被送至表 头的信号是一个与功率有关的直流电压。这个直流电压使表头指针偏转至某一位 置，它指示了相应的功率。通过式功率测量法的优点是可以直接读出正向和反射 功率，可以进行大功率测量，体积小，便于携带，成本低；而其缺点是不能进行 窄带测量，测试精度稍差，通常为9 5 左右6 j 。 在本论文中，我们设计出一种新的射频功率测量装置。我们所设计的测量系 统主要用来测量等离子体系统中射频振荡器的输出功率。射频振荡器的输出波形 为一正弦波，功率测量设备放在等离子天线系统中，看振荡器的输出功率能否激 发产生等离子体。 1 3 论文主要任务 论文的主要任务是研究射频功率的测量方法，并且利用电流互感器、分压 器、模拟乘法器、低通滤波器、运算放大器和电流表等，设计出一种新的射频功 率测量方法，暂且称为乘法式射频功率测量法。此设计与通过式射频功率测量法 相比，用一个电流表就可直接读出作用在负载上的功率( 通过式要用两个电流 表) ，减少了读取功率值时的误差，并且流过电流表的电流与所测功率成正比关 2 郑州大学硕士学位论文 系。 本文给出了乘法式射频功率测量系统的设计参数，并通过仿真辅助对设计结 果进行了验证。设计之后做出电路板，进行电路的调试与测试，并用相应的实验 方法对电路进行验证，最后进行误差分析。 郑州大学硕士学位论文 第二章射频功率测量方法的分析和电路设计 射频功率测量的发展经历了从量热式到通过式的过程，在本论文中我们设计 出了基于模拟乘法器的乘法式射频功率测量电路，并给出了电路设计的参数。对 于通过式功率测量方法，虽然存在着测试精度低等缺点，但是它的工业标准之所 以能从1 9 5 2 年沿用到今天，也有着它自己的优点。所以介绍我们设计的乘法式 功率测量方案后，有必要分析一下通过式射频功率测量方法的原理，并将两种测 量方法进行对比分析。 2 1 乘法式射频功率测量方法的原理分析及电路图 2 1 1 基本原理 直流时由p = u i ，但是射频段时电流和电压以波的形式存在，所以p 与电压 峰值u 和电流峰值i 以及u 、i 之间相位差妒的关系如下： p 晏【，c o s 妒 2 由此公式可知，要想在射频段测量功率，必须要考虑u 和i 之间的相位差妒。 乘法式射频功率测量的基本原理就是基于公式p - 【，c o s 驴，主要利用模拟 乘法器、低通滤波器等达到射频功率测量的目的。 2 1 2 原理方框图 乘法式功率测量电路主要选取模拟乘法器、电流互感器、分压器、低通滤波 器、运算放大器等模块作为组成部分，电路组成方框图如图2 - 1 所示。 4 郑卅f 大学硕士学位论文 图2 1 乘法式射频功翠测量方框图 在图2 1 中，发射机通过传输线作用在负载上的电压、电流分别为 “一u c o s ( a 露+ 伊) f i c o s 耐 其中- 幼，f 为工业频率1 3 5 6 删z ，伊为u 、i 之间的相位差。 电压电流峰值u 、i 一般较大，用由电阻r 2 、电位器r 3 组成的分压器取出 电压信号，设分压比为k l ，则作用在模拟乘法器一个输入端的电压信号为 z i l - 墨u s ( 研+ 妒) 。电流互感器取出的电流信号相当于一个电流源，电流源通 过电阻r 1 转化为电压源，电流互感器原副线圈的匝数比l ：n ，则作用在乘法器 另一个输入端的电压信号为“：- 鲁，c o s o f f 一岛，c o s t o t ，其中局一鲁。取信n n 号后的等效方框图如图2 2 所示。 5 郑州大学硕士学位论文 图2 - 2 乘法式等效方框图 在图2 - 2 中，u 1 与u 2 加在模拟乘法器两端，设模拟乘法器的增益为k 3 ，则 从乘法器输出的信号为3 一玛l l 。h 2 - 玛蜀k 2 凹c o s ( 埘+ , ) c o s o x 即“3 一- k 3 k 1 k z u i c o s ( 2 w t + 妒) + c o s c p 】 信号u 3 通过低通滤波器，滤除高频分量2 t ，保留直流分量 “4 - 丢局k k 2 叮c o s 弘 u 4 一般较小，再通过运算放大器对其进行放大，设放大比为，则运算放 大器输出端的信号为“。三蜀玛k 【j = r s 妒。 最后流过电流表的电流为： 乞- 鼍笋w 删一9 1 2 w c o s 驴 c z - ) 其中k - 鼍等 公式2 一l 中包含了功率成分p 1 u ic 。s 妒，这正是我们所需要的。最后 用电流表标刻功率值。 6 郑州大学硕士学位论文 2 1 3 设计出的电路图 以上只是给出了基本的方框原理图，而在实际设计时，电流互感器、分压器、 模拟乘法器、低通滤波器、运算放大器等模块存在很多需要考虑的地方，并且要 。 给出具体的参数值。图2 3 就是所设计出的电路图。 图2 3所设计出的乘法式功率测量电路图 7 郑州大学硕士学位论文 2 2 乘法式电路各模块电路的分析与参数设计 下面将详细分析各模块电路，并给出其设计参数。在此，我们限定通过发射 机负载的最大电压峰值为2 0 0 v ，最大电流峰值为4 a ，负载电阻值为5 0q 2 2 1 电流互感器的分析与参数设计 电流互感器用于取出通过传输线的电流信号，使取出的信号满足模拟乘法器 的输入要求。电流互感器利用变压器原、副边电流成比例的特点制成。其工作原 理、等效电路也与一般变压器相同，只是其原边绕组串联在被测电路中，且匝数 很少；副边绕组接低阻抗负载，近似短路1 7 a 9 1 。 电流互感器运行时，副边不允许开路。因为一旦开路，原边电流均成为励磁 电流，使磁通和副边电压大大超过正常值而危及人身和设备安全。因此，电流互 感器副边回路中不许接熔断器，也不允许在运行时未经旁路就拆下低阻抗负载 f i o 1 1 一 在本设计中，电流互感器的基本形状如图2 - 3 所示，原变绕组即为传输线； 副边匝数为n = 1 0 匝，后接阻值为1o 的电阻r l 。为了使系统能够正常工作，要 求副边线圈产生的感抗远远大于r 1 的阻值。经过我们的计算分析，副边线圈对 应的感抗足够的大，大约为l o ko ，这样保证了由线圈产生的感抗远远大于r 1 的要求，r l 近似短路。通过传输线的最大电流峰值为4 a ，电流互感器的匝数比为 1 ：1 0 ，理想情况下取出的电流信号最大峰值为0 4 a ，从而r l 上的最高峰值电 压为0 4 v 。模拟乘法器其中一个输入端的电压峰值要求小于1v ，上述电流互感 器及r l 的参数设计满足了模拟乘法器的输入要求。 2 2 2 分压器的分析与参数设计 分压器用来取电压信号，使取出的信号满足模拟乘法器的输入要求。为了使 所设计的测量电路不影响被测系统【i s , 1 4 ，要求分压器的总阻值远远大于负载电阻 5 0q 。在本设计中分压器只有一个固定电阻r 2 和一个电位器r 3 组成，如图2 4 ( a ) 所示，由于作用在负载电阻电压的最大峰值为2 0 0 v ，且选用的电阻最大损 8 郑州大学硕士学位论文 ( - 2 5 - x2 0 0 ) 2 j _ _ ：_ 一0 2 5 r ， 8 0 k o r 成相位的变化；如果张大于矿，则要降低砚，使其与妒相等，方法如图2 - 4 ( b ) ，c ， 1 “1 2 葚“1 2 1 + j c o r 4 c 1 “1 ( 2 2 ) 4 j w c l 从式2 - 2 可以看出，u a 滞后“1 ，即u a 的相位相当于“1 减去某一角度。取 c l = 4 7 0 p f 固定不变，r 4 为电位器，最大值为2 0 0 q ，通过改变r 4 的值去调节相 位，畸滞后嚣1 为口r c 留 墨c 1 ) ，仞墨c 1 - 2 x 3 1 4 x 1 3 5 6 x 4 7 0 x l o - ”蜀- 0 0 4 r 4 ， 调节r 4 使讫与妒的大小相等。 如果仍小于妒，则要增加仍，使其与妒相等，方法是在2 - 4 ( b ) 中，将r 4 与c l 交换位置，则 “，。2 ：i j r 4 ，2 ：j 工1 “， r 4 + 二j 0 2 c , 1 + j c 。二c i r4 9 ( 2 3 ) 郑州大学硕士学位论文 tt 从式2 3 可以看出，码超前1 ，即码的相位相当于“l 加上某一角度。吩超 前口l 为a r c t g ( m r 4 c 1 ) ，o j r , qi 2 x 3 1 4 x 1 3 5 6 x 4 7 0 x t 0 4 x r 4 - 0 0 4 r 4 。调节 使砚与妒的大小相等。 传输线f 传输线一 c a ) 基本分压器 图2 4 分压器原理图 2 2 3 模拟乘法器的分析与参数设计 撩 娜 毋 苗 芦 0 n 带相位调整的分压器 本论文中设计的射频功率测量电路之所以被称为乘法式，是因为模拟乘法器 在整个电路中起着关键性作用。 l - 模拟乘法器的选取 模拟乘法器是现代信号处理系统的重要组成单元，它是由双差分电路构成的 具有良好性能的乘法电路，即其输出电压与两个输入电压之积成正比，它广泛应 用于锁相环、混频器、滤波器等信号处理电路 1 s , 1 9 】。模拟乘法器有很多种型号 和类型，本设计中选用m c l 4 9 6 集成模拟乘法器m c l 4 9 6 线形失真小，包络波形好，它是双平衡四象限模拟 乘法器。在教学与科研实践中，将m c l 4 9 6 用于多种信号处理系统中，都取得了 满意的效果【加丑】 2 m c l 4 9 6 的内部电路及信号输入范围 1 0 郑州大学硕士学位论文 图2 - 5m c l 4 9 6 内部电路 图2 - 5 为m c l 4 9 6 内部电路图，其中，t l ，t 2 与t 3 ，t 4 组成双差分放大器， 集电极负载电阻是r c l 、r c 2 。t 5 、t 6 组成的单差分放大器用于激励t 1 t 4 。t 7 、 t 8 及其偏置电路构成恒流源电路。引脚8 与1 0 接输入电压u 。即从分压器取出 的电压信号。1 与4 接另一输入电压u 2 ，即从电流互感器取出的电流信号经过电 阻r 1 转化成的电压信号。引脚6 和1 2 为输出端，输出电压u 3 。引脚2 和3 外接 电阻r e ，对差分放大器t 5 、t 6 产生电流负反馈，可调节乘法器的信号增益，扩 展1 、4 端输入电压u 2 的线性动态范围。引脚1 4 为负电源端( 双电源供电时) 或 接地端( 单电源供电时) ，引脚5 外接电阻r 5 ，用来调节偏置电流1 5 及镜像电流1 0 的值 糍2 a , 2 4 1 。 本设计中，使模拟乘法器工作在线性状态，所以8 、l o 与1 、4 端的交流电 压输入范围受到限制。u 1 的最大动态范围为- 2 6 m v u 1 2 6 m y ，由分压器取出的 电压信号必须满足上式的要求。u 2 的最大动态范围闭为i o r e u 2 l o r e ，一般 情况i o = i s = l m a ，r e 选取为i k q ，由电流互感器取出的电流信号乘以电阻r 1 满 足上式的要求。 3 模拟乘法器m c l 4 9 6 外接直流偏置的估算 1 1 郑州大学硕士学位论文 ( 1 ) 外接电阻r 5 的估算 m c l 4 9 6 可以采用单电源供电，也可以采用双电源供电，其直流偏置由外接 元件来实现，本设计中采用单电源供电。首先确定偏置电流1 5 ，通常1 5 取值小于 5 m a ，一般取1 5 = 1 a 。片脚5 端的外接电阻r 5 可由下式确定： b - 半一 ( 2 4 ) 式2 4 中，、b 是二极管正向压降，一般为0 7 v 左右。片脚5 通过r 5 接到+ 1 2 v 电源v c c 上，片脚1 4 接地，所设计电路图如图2 6 所。 v c c = 1 2 v , v d = 0 7 v r s = 1 0 8 kq ( 2 ) 其它电阻的估算 要想使m c l 4 9 6 正常工作，还要给其内部的晶体管提供合适的静态工作点， v i 、v 4 、v 6 、v 8 、v l o 、v 1 2 分别为模拟乘法器l 、4 、6 、8 、1 0 、1 2 端的静态 电压。四组静态偏置电压应满足下列关系： v 6 = v 1 2 ，v s = v l o , v i = v 4 , 3 0 v d c = ( v 6 ，v 1 2 ) 一m ，v l o ) = 2 v d c 3 0 v d c = ( v 8 ，v 1 0 ) 一( v l ，v 4 ) - 2 7 v d c 3 0 v d c = ( v i 一蚴一纷- - 2 7 v d c ( 2 5 ) r a 与r c 2 为模拟乘法器6 、1 2 端所接的偏置电阻，在静态下，流过r c l 与 如的电流大小都为1 5 。所以k = v 1 2 = 1 2 r o + 1 5 ，取r c l = r c 2 = 3 kq ，v 6 = v 1 2 = 9 v 在图2 - 6 中，r 6 、r 7 、风为8 、1 0 、1 、4 端提供静态电压，取肛l k q ， 肛7 2 。q ，l 皆1 3 k q ，由分压比得- 一瓦了r 6 i + 了r 7 百1 2 v 一6 8 3 v 郑州大学硕士学位论文 k k - 去姐旬州 v s - - v d i - 5 0 0 + 1 5 - - 1 2 v 通过以上分析，取r c l = r c 2 = 3 k f 2 ，r 6 = l k q ，r w = 7 2 0 0 ，r 8 = i 3 k q ，保 证了v 6 - - v 1 2 = 9 v ，v s = v 1 0 = 6 8 3 v ，v 1 = v 4 = 3 9 7 v ，v 5 = 1 2 v ，满足了2 - 5 式中 关系的要求。 下图所示为m c l 4 9 6 外围参数设计图。 图2 - 6m c l 4 9 6 外围参数设计图 4 模拟乘法器m c l 4 9 6 外围其它参数 另外，图中电容c 2 、c 3 、c 4 、c 5 大小都为4 7 0 0 p f ，本设计所用频率为 f = 1 3 5 6 m h z ，电容的容抗值为石蠹- 2 5 f l , 所以电容对交流信号相当于短路。 c 3 、c 4 是隔直电容，阻断直流通路，提供交流通路。c 2 、c 5 对交流信号进行了 短路，q 满足了8 、1 0 端单端输入的要求，c 5 满足了1 、4 端单端输入的要求， 郑州大学硕士学位论文 所以交流信号只输入到l 和l o 端。 电阻r 9 、r 1 0 、r u 、r 1 2 、r 1 3 、r 1 4 用来稳定8 、i o 、1 、4 端的静态工作 点，r 1 1 - - - - r 1 4 = l k q ，r 1 0 = r 1 2 = 9 0 0 q ，r 9 、r 1 3 为电位器，最大阻值为2 0 0 0 调节r 9 、r 1 3 ，使r 1 1 = r 9 + r l o ，r 1 4 = r 1 2 + r 1 3 ，这样保证在模拟乘法器的输出 端无基波分量的出现【雄明。另外，r 9 + r 1 0 之和应能保证足够大于电位器r 3 的 值，否则r 9 、r 1 0 将会影响分压器的分压比。 5 模拟乘法器m c l 4 9 6 的输出 模拟乘法器采用单端输出的方式，1 0 端的输入电压为“，- k u c o s 似+ 妒) ， k l 为分压器的分压比。1 端的输入电压为“2 盈，c o s r o t 蜀，c o s o ) t 。两个输 入信号经模拟乘法器相乘，设模拟乘法器的增益为墨，则从乘法器输出的信号 为， “3 - “1 + “2ik 3 鬈l k 2 u ic o s ( c o t + 妒) c o s w t 即： “3 - 妄k 3 k 1 k 2 u l c o s ( 2 6 0 t + 妒) + c o s p 】 ( 2 6 ) 从式2 - 6 可以看出，u 3 包含两部分，直流分量和二倍频率成分。本设计采用 单端输出，从 _ 1 c 1 4 9 6 的1 2 端输出。另一输出端6 接电容c 6 ，q 大小为4 7 0 0 p f ， 6 端对二倍频率分量相当于短路接地。 另外，1 2 端还有静态直流分量v 1 2 。所以1 2 端应包含三部分，= 倍频率交 流成分、从模拟乘法器输出的直流分量和静态直流分量v 1 2 。所以 一e 1 2 + u3 m + 1 k s k 。k 2 u i c o s ( 2 w t + 力+ 丢玛k k w s 妒 1 1 1 2 送到低通滤波器进行低通滤波，滤除二倍频率成分。在u 1 2 中我们需要的 只是；玛墨k ：研c o s 妒，所以用运算放大器放大这部分直流量外，还要抵消掉静 态直流分量v 1 2 。 2 2 4 低通滤波器的分析与参数设计 滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各 1 4 郑州大学硕士学位论文 种不同信号的功能，允许规定范围内的信号通过，而使规定范围之外的信号不能 通过。滤波器按处理信号形式分为：模拟滤波器和数字滤波器；按功能分为： 低通、高通、带通，带阻、全通；按电路组成分为：l c 无源、r c 无源、由特殊 元件构成的无源滤波器、r c 有源滤波器；按传递函数的微分方程阶数分为：一 阶、二阶、高阶渊。 低通滤波器的定义：当频率小于某个值时，信号可通过；频率大于某个值时， 可认为信号不能通过( 即衰减很大) 。利用电阻、电容等无源器件构成的滤波电 路，有一定的缺陷，如；电路增益小；驱动负载能力差等捌。但是它电路简单， 在本设计中可以满足设计的要求。 选用低通滤波器的目的就是要滤除从模拟乘法器1 2 端输出的二倍频率成分 兰玛墨k 夥r s ( 2 耐+ 妒) 。由r 1 5 与c 7 组成的低通滤波器如图2 - 7 所示，选取 r 1 5 = l o ko ，c - r = 4 7 0 0 p f ，岛的容抗值为五忑i 瓦磊石未再五而石：而百。1 2 5 q ，远远小于 r 1 5 ，达到了滤波效果。此时，从低通滤波器输出的信号为 球。- + 妄玛k 叩s 妒，1 1 4 再加到运算放大器一个输入端。 1 u j _ _ _ _ _ _ 、，、一- r _ _ - _ _ _ 一 u 1 4 9 8 搬l 后燃 c t l m 咿 上 鼍r 图2 7 低通滤波器参数设计 2 2 5 运算放大器的分析与参数设计 1 集成运算放大器的选取 集成运算放大器简称集成运放，它最初应用于模拟计算机对模拟信号进行加 法、减法、微分、积分等数学运算，并因此而得名。随着电子技术的不断发展， 集成运放的功能、种类以及特性都发生了极大的变化，各种新型集成运放不断出 郑州大学硕士学位论文 现。例如功率运算放大器、精密仪器用差分运算放大器、可控运算放大器等。目 前，它已成为一种通用性很强的功能器件，广泛应用于信息处理、自动控制、测量 仪器及其它电子设备等领域【3 1 3 2 1 。集成运放和分立元件电路相比，有以下特点： ( 1 ) 集成运放是由差动放大级、电压放大级和输出级组成的高增益放大器。 由于它的所有元、器件都集成在同一硅片上，所以差分对管的参数匹配性能良好， 环境温度条件相近，有利于克服零点漂移。 ( 2 ) 通用型集成运放的特点是主要参数指标为一般。但是与分立元件组成的 高增益直接耦合放大器相比较，各项指标都有很大提高。这种类型的集成运放价 格低廉、品种多、应用面广，在无特殊要求的条件下，是优先选用的器件。 ( 3 ) 专用型集成运放是针对某一项或几项指标的特殊要求而设计的器件，如 高速型、高压型、高精度型、宽带型、低功耗型等，主要应用于具有相应特殊要 求的场合。 在由运算放大器组成的各种系统中，由于应用要求不一样，对运算放大器的 性能要求也不一样。目前，集成运算放大器的种类非常多，这给使用者带来很大 的困惑，但最终的选用依据仍然集中在运放的有关参数上。由于实际运放不可能 做到各项参数都接近于理想的情形，其参数可能各有所侧重，这就要求使用者根 据不同的应用场合，对某些性能指标的要求有所取舍。在没有特殊要求的场合， 尽量选用通用型集成运放。通用型运放的各项性能指标都比一般的分立元件直接 耦合放大电路有所改善，大致能够满足中等精度的要求，一般情况下无须调零即 可使用。选用通用型运放即可降低成本，又容易保证货源1 3 3 驯。本设计使用集成 运算放大器的一个目的就是要放大直流信号，另外还用作加减运算，选用l m 3 5 8 就可以满足要求。它是通用型集成运放的一种，内部包括有两个独立的、高增益、 内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用 于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。其管角排 列如下图： 郑州大学硕士学位论文 输出1 输入1 ( 一) 输入1 ( + ) 图2 - 8l m 3 5 8 管角排列图 它具有如下特性： 4 单位增益频带宽( 约1 m h z ) ； b 电源电压范围宽：单电源( 3 3 0 v ) ； c 双电源( 1 5 一1 5 v ) ； d 低功耗电流，适合于电池供电； e 低输入偏流； f 低输入失调电压和失调电流； 昌共模输入电压范围宽，包括接地； h 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围； i 输出电压摆幅大( 0 至v c c i 5 v ) ； 2 l m 3 5 8 外围参数的设计 从以上分析中得知集成运算放大器的作用为： v b c 输出2 输入2 ( 一) 输旭( + ) ( 1 ) 从低通滤波器输出的信号为一+ k s k l k 2 u i c o s 妒，其中代表所测 功率的直流分量丢玛聊c o s 妒比较小，要 g c $ 2 k s k a k z u i c o s 妒进行放大，以便 用电流表进行测试。 ( 2 ) m c l 4 9 6 的1 2 端存在很大的静态直流分量v 1 2 ，低通滤波器输出信号 1 1 4 中仍然存在这部分信号。l m 3 5 8 有两个输入端，一个输入端3 接低通滤波器输 出的信号1 1 4 ，另一个输入端2 加上直流电压去抵消u 4 中存在的静态直流分量v 1 2 1 7 郑州大学硕士学位论文 i 瑚3 5 8 必须满足以上两个要求，整个电路才能正确测出射频功率。设计出的 l m 3 5 8 的外围参数如图2 9 所示。在图2 9 中，1 1 4 通过电阻r 1 6 = 1 0 k q 加到l m 3 5 8 的3 输入端。r 1 7 、r 1 8 和r 1 9 组成分压电路，通过电阻r 2 0 加到l m 3 5 8 的2 输入 端，r 1 9 一端与v o c 相连接，r 1 8 为电位器当整个系统没有交流输入，只有直流 电源v c c 供电时，调整r 1 8 使l m 3 5 8 的输出最小，理想输出应该为零，这样达到 了用l m 3 5 8 抵消模拟乘法器1 2 端的静态直流分量v 1 2 的目的。r f 跨接在2 、1 端， 作为反馈电阻，大小为r 2 0 的2 0 倍。取r 1 _ v = 3 7 k 0 ，r 1 9 = l k 0 ，r 2 0 = 1 0 k q ，r l s 的最大阻值为2 0 0 q 。 图2 - 9l l d 3 5 8 外围参数设计图 l m 3 5 8 的2 输入端的电压为1 1 4 ，r 1 7 、r 1 8 和r 1 9 分压的结果为v 2 ，i 输出端 的电压为蛳脯警。警即 u o w 一2 1 u 。一2 0 屹- 2 么+ i o , s k t k 2 k 3 u i c o s 妒- 2 0 1 2 2 ( 2 - 7 ) 当整个电路系统没有加交流信号，只有直流电源v c c 供电时，式2 7 为 n o - 2 1 e , 2 - 2 a 郑棚大学硕士学位论文 通过r 1 8 调节v 2 的大小，使u o t r r 的值最小，理想大小为零， o i r - 2 么- 2 0 v 2 0 即2 1 一2 0 v 2 ( 2 8 ) 电位器r 1 8 调节的目的，应保证在没有加交流信号时2 8 式的成立。这样使 得u o t r r 中只包含了所需要的射频功率部分。即； 口- 2 1 k i k 2 k 3 1 u i c o s 妒( 2 - 9 ) u o l r r 加在电阻r 上，最后用电流表测出流过电阻r 上的电流，从而建立电流 值与射频功率值一一对应的关系。并且从以上理论的推导可知，电流与所测的射 频功率成正比。 2 3 通过式射频功率测量法的研究分析 以上分析了乘法式射频功率测量法的原理及参数设计，为了让乘法式功率测 量法与通过式射频功率测量法作出比较，下面对通过式射频功率测量法进行分 析。 2 3 1 通过式射频功率测量的基本原里 通过式射频功率测量电路主要有分压器、电流互感器、检波二极管和低通滤 波器等组成，其原理图如图2 1 0 所示。 郑州大学硕士学位论文 图2 一1 0 通过式射频功率测量原理图 在图2 1 0 中，由发射机通过传输线作用于负载上的电流i 幅度和电压u 幅 度都很大，而加在二极管上的电压要求较小，所以用r 2 、r 3 组成的分压器取出 负载上的电压信号，用电流互感器取出电流信号。分压器相当于一个电压源，电 流互感器相当于一个电流源，电流源通过电阻r l 转化为电压源，最终的等效电 路图如图2 - 1 1 所示。 图2 - 1 1 等效原理图 郑州大学硕士学位论文 在图2 一1 1 中，取出的信号电压源u l 、u 2 叠加在二极管d l 、d 2 两端，二极 管对信号源进行包络检波，检波后再经过由r 4 、c l 组成的低通滤波器进行低通 滤波，滤除高频分量【3 5 捌。最后用电流表 1 去标刻入射功率，a 2 标刻反射功率。 a 1 的功率值减去a 2 的功率值就是作用在负载上的功率。 假设作用在负载上的电压、电流分别为： h u c o s ( 甜+ 妒) i i c o s o 时 其中0 3 一知，f 为工业频率1 3 5 6 m h z ，妒为u 、i 之间的相位差。 通过分压器和电流互感器取信号后 l 1 “击u c o s ( c o t + 咖 r + r恐+ 玛 “ 口里i c o s c o t n 其中n 为电流互感器副边线圈的匝数。 对于二极管来说吃。一毛。 。+ 如)吃：- 邑： 。一五：) 其中髟。- k 4 ：为二极管的传输系数，并设在理想情况下k 。一k 。：- 1 。 二极管对信号源进行包络检波，相当于五。、正：这两个向量进行叠加如图 2 - 1 2 所示。 ( 8 ) 叠蹶一鲁- 去 ( b ) 图2 1 2 l i l 、l i 2 向量叠加图 ( 2 - 1 0 ) 之- 百v d 2 击露历碍i 再 当电路完全匹配时，了u - 凡，相位差伊一。，反射功率为零，所以f 2 o ，由2 1 l 郑州大学硕士学位论文 式可得土u 堕 恐+ 玛 n 化简为等一鲁警咀 即土且 是+ 玛砚 将公式2 - 1 2 分别带入2 - 1 0 、2 - i i 得： f - 去。x 4 ( 马n2 击鼍民+ 嬲c o s 们 i 2 2 = 毒卓2 专鼍+ ，氇一嬲c o s d ( 2 - 1 2 ) 2 一之2 k 1 2 u l c o s 妒 其枷8 毒( 争2 百1 i 1 2 去代表入射功率，i 2 2 去代表反射功率，i , 2 - - 与i 2 z 之差表示了作用在负载 上的功率。 2 3 2 通过式射频功率测量电路的参数设计 1 分压器、电流互感器的参数设计 通过式射频功率测量电路中包含的分压器、电流互感嚣这两个模块，其基本 原理与乘法式功率测量电路中的类似，在这里直接给出各部分的参数。首先，仍 然限定通过负载的最大电压峰值为2 0 0 v ，最大电流峰值为4 a ，负载电阻值为 5 0 q 。取r 2 大小为1 0 0 k o ，r 3 调节到i k o 左右，这样保证取出的电压信号最大 峰值为2 v 。电流互感器的匝数n = 1 0 ，后接电阻r 1 大小为2o ，理想情况下取出 的电流信号通过r 1 转化为电压源的最大峰值也为2 v ，这样在图2 1 1 中两个源 的大小相等，保证在发设机与负载完全匹配时，反射功率为零，即电流表2 中流 过的电流为零。 郑州大学硕士学位论文 2 检波二极管的参数设计 在整个通过式射频功率测量电路中，检波二极管起着至关重要的作用，下面 予以详细分析。 二极管电路广泛用于通讯设备中，例如检波电路、调制电路等。它们具有电 路简单、噪声低、组合频率分量少、工作频带宽等优点【3 7 捌。图2 - 1 3 是典型的 二极管包络检波器的原理电路。它是由输入回路、二极管d 。和r c 低通滤波器组