（电路与系统专业论文）数字化新型C波段脉冲功率计的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 微波功率测量是微波测量中最重要、最基本的一部分。随着移动通信和空间技术 的发展，功率测量起着越来越重要的作用，微波功率测量仪器也向着小型化、低功耗、 宽频带、高精度的方向发展。本课题来源于成都赛英科技有限公司的一项研究项目， 此数字化新型c 波段脉冲功率计主要用于微波发射机中输出功率的监测。 微波功率感测的实现方法有很多种，其中对数放大型检波器以其灵敏度高、响应 速度快和结构简单的特点，具有广阔的发展前景，本项目设计的微波功率计就是采用 此类检波器作为功率探头。 本功率计的设计中，功率指示误差是最重要的技术指标。误差的来源是多方面的， 其中环境温度变化引起的误差、射频部分各元件的失配误差是最主要的误差，对其它 相对较小的误差则控制在一定的范围内。系统的硬件设计时，将对温度敏感的元件放 在一个恒温槽中，并细致调节射频部分各元件之间的匹配情况。软件设计时，采用查 找表的方式来进行功率校准和频率补偿。功率测量时必须根据功率测量射频模块中的 a d c 采样输出数码和瞬时测频模块中测得的脉冲信号载波的频率值，在查找表中选择 合适的功率值，然后送给功率指示设备显示出来。该实施方案不论是在硬件设计还是 在软件算法上，均有一定的创新之处，最终的测试结果也证明了该方案在实践中是切 实可行的。由于本脉冲功率计用于专用雷达系统中，除了要求功率指示尽可能准确外， 还要求体积小、重量轻和低功耗，经测试上述各项指标均达到了项目的要求。 本论文首先介绍了功率测量的相关概念和功率计的结构，然后讲述了功率测量的 相关技术，例如微波检波技术( 包含对数放大型检波技术) 和微波脉冲测量技术，第 三章则重点介绍了a d 模数转换技术，例如a d c 的主要技术指标，对如何选择合适的 a d c 、电压基准和放大器也进行了讨论，接着分析了功率测量中主要的误差源和误差 校准的方法，最后详细介绍了此脉冲功率计的方案论证、硬件设计、软件设计和系统 调试，并给出了系统的实测结果。 关键词：微波功率计，对数放大型检波器，功率探头，失配误差。 a b s t ra c t a b s t r a o t p o w e rm e a s u r c m ti st h em o s ti m p o r t a n ta n db a s i cp a r to f m i a o w a v em e a s u r c n l e n l w i mt l l e d e v e l o p r n 饥t o fm o b i l e m m u i l i c a t i o na 1 1 d s p a c ct c c h n o l o g y , p o w e r m e 龇e m e n ti sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，锄dm i c r o w a v ep o w 盯m e t e rw mb e s m a l l e f ，l o w 盯c o s t ，w i d e rb a i l d ，a n dl l i g h e rp r e c i s i o n t h i ss u b j e c ti sf r o mo n e 刚e c to f c h e n g d us m es c i e n e ea n dt e c h n o l o g yl t d ，a n dm ed i 百t a ln e w t y p ec - b a n dp u l s ep o w 廿 m 嗽i s m a i n l y 删t 0 d e t e c tt h eo u t p u tp o w e ro f t h em i c r o w a v e 妞m 蹦【l i t t t 玑 t h e ea r eaf e wm e t h o d so f d e t e c t i n gr r l i 口o w a v ep o w c r w i t l li t sl l i g hs e n s i f i 嘶f a s t r e s p o t l s ea n ds i m p l es t r u c t u r e , l o 乎a m pd e t e c t o rh a saw o n d e r f u lf i i t u r e 血m o d e mp o 、v a m e a s u r e m e n tt h i sm i 盯o w a v ep o w e fs e n s o r 啪t h i st y p eo f d e t e e t o r h lt l l ed 舒i g no fp 0 、e rl 删p o w 盯d i s p l a ye l t o ri st 1 1 ek e ys p e c i f i c a t i o n t h ee r r o r c o f n e sf r o mal o to fs o l l r c e s t h em a i no n e sa r ef r o mt e m p e r a t u r ec h a n g e 觚dm i s m a t c h b e t w e e nm ed e v i c e s 访r fm o d u l e , a n dt b eo t h e r ss h o e db ec o r l 仃o l l e di i ls o m el e v c l h lt h e h a r d w a r ed e s i g n , m ed e v i c e se 勰i l yi n f l u 既c e db yt e m p e r a t u r ea l ep u ti nt l l e 洲t a n t t e m p e r a t u r ec o n t a i n e r a n dm em a t c hb e t w e e nt 1 1 ed e v i c e si nr fm o d l | l es h o u l db ec a r e f u l l y a d j l | s _ t e d ms o f a v a r ed e s i 酉l , l o o k - u pt a b l ei su s e dt oi m p l e m e n tp o 嘛c a l i b r a t i o na n d f f e q u e l l c yc o m p e n s a t i o n w h e l lm e a s u r i n gp o w e r , a c 硎i n g t 0m ea d c o u t p u tc o d ef r o m p o w e r m e a s u r e n l e n tr fm o d l l l e 缸dm ei n f o r m a t i o na b o mp u l s ec a m e rf r e q u e n c yf r o m m i f m ( i n s t a n t a n 哪f r e q u e n c ym e a s u r e m e n t ) m o d u l e , p r o p 盯p o w e rv a l u ei sc h o s ei r im e l o o k - u pt a b l e , a n dm i ss a l tt ot h el e dt od i s p l a y t h e ei ss o m ei n n o v a t i o ni i lt l l e s y s t e m8 c h e l t l e , n o to n l yh a r d w a r ed e s i g nb u ta i s os o f t w a r ea l g o n t h m , 锄dt h ef i n a l m e a s u r e m e n tr e s u l ta l s op r o v 鹤t h a tt h i ss c h e m ei s 觚i b l e b e c a u s em ep o w 廿m e e fi s m a i n l yu s e di l l 警e c i a lr a d a rs y s t e m , b e s i d 髂妇l l i g h 删s i o l l ，i ti sa l s or e q u 捌t ob es m a l l ， 1 i g h ta 1 1 dl o w e rc o s c n es p e c i f i c a t i o md i s c u s s e da b o v ea r cm e tm en e e db ym e a s u r e m e n t a tt l l eb e g i n n i n go f t h ef h e s i s ，t 1 1 er d a t e dc o n c e p t sa b o u tt 1 1 ep o w 盯m 髓s u r 跚e n ta n d m es l r u c t u r eo f p o w 髓m e t e ra r ei n t r o d u c e d ，锄dt 圭l w h a tt 0n a r r a t ea f es u c ht e d h n o l o 西船 a b o u tp o w 盯m e a 锄咖l 印t 笛m i c r o w a v ed e t e c t i n gt 。c h n o l o g y , m c l u d m gl o g - a m p d e t e c t i n gt e c h n o l o g y , 锄dm i 凹o w a v ep u l s em e a s u r i n gt e c h n o l o g y h lm e 吐1 i r dc h 印t a 仍 a n a l o g y - t o d i 季t a lc o n v e r t i n gt e c h n o l o g yi sm a i n l yp r c s 趾t e d ，f o re x a m p l e , l h ek q a b s t r a c t s p e c i f i c a t i o n so fa d c a n dt h em e t h o da b o u th o wt oc h o o s et h es u i t a b l ea d c ，v o l t a g e r e f e r e n c ea n da m p l i f i e r t h e nt h ee l t o rs o u r c e si np o w e rm e a s u r e m e n ta n dt h em e t h o d s a b o u te r r o rc a l i b r a t i o na l ed i s c u s s e d f i n a l l y , w h a tt ot e l li st h ep o w e rm e t e r ss c h e m e e v a l u a t i n g , h a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g n , s y s t e md e b u g g i n ga n dt h em e a s u r e m e n t r e s u r k e yw o r d s ：m i c r o w a v ep o w e rm e t e r , l o g - a m pd e t e c t o r , p o w e rs e n s o r , m i s m a t c h e r r o r i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 日期：朋7 年，月，7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：堑犟盔 导师签名： 勘之掳 日期：胪7 年月厂7 日 第一章微波功率计概述 第一章微波功率计概述 1 1微波功率计的应用和发展进程 微波功率是无线电计量的基本量之一，也是表征微波信号特征的一个重要参数， 确定微波振荡源的输出功率、接收机的灵敏度、电子元器件的性能测试和无源网络的 衰减损耗等都离不开微波功率的测量，可以说，功率测量是微波测量的最基本、最重 要的部分。微波通信技术和航天空间技术的发展，使得微波大功率信号在国防建设和 航天探索中发挥着越来越重要的作用，例如飞机和地面雷达上的功率，已经要求达到 上百瓦，甚至上千瓦，微波小功率计配上大功率的衰减器或者弱定向耦合器，普遍应 用于大功率微波测量中。第三代移动通信技术的发展，功率控制是解决蜂窝系统“远 近效应”的一个重要措施，而功率控制必须定时地监测接收机信号的强弱，从而可以 在满足一定通信质量的前提下，扩大系统的通信容量。可以说，微波功率计在电路设 计和测试中起着至关重要的作用，被广泛应用于微波通讯、雷达、导航、电子对抗、 空间技术、卫星地面站等领域u 1 。 在早期的射频和微波系统中，微波功率计对器件性能和系统性能的评估起着至关 重要的作用，早期的测量技术为今天的微波测量奠定了基础。 在2 0 世纪3 0 年代，r u s s e l l 2 在速调管腔壁上的合适位置打上小孔，在旁边放上 荧光屏观测显示结果，荧光屏显示结果的变化反映了输入信号电平的变化，这就是早 期的功率计，但这种检波装置并不能工作到微波频段，那时的大功率计主要是由流动 式水负载制成的量热式功率计。第二次世界大战时期，微波晶体检波器的性能得到提 高，开始用来制成微波功率探头，此时测热电阻式功率计开始面世，它们都可以工作 到微波频段。在2 0 世纪5 0 、6 0 年代，a g i l e n t 公司推出了测热电阻式功率计4 3 0 、4 3 1 、 4 3 2 系列。在2 0 世纪7 0 年代，a g i l e n t 公司推出了热电偶式功率计4 3 5 、4 3 6 、4 3 7 系列。2 0 世纪3 0 年代雷达和导航系统的发展，推动了微波脉冲功率测量技术的发展。 早期的脉冲功率测量采用的方法有：平均功率法、陷波技术法、直流脉冲功率比较法 等吼 迄今为止，国外的a g i l e n t 、a n r i s t u 等公司推出了一系列的功率探头和功率计， 可以用来测量连续波、脉冲波和一些复杂的调制波，涵盖了从- - 7 0 d b m 到+ 4 4 d b m 的功率测量范围和从9 k n z 到1 1 0 g h z 的工作频率范卧3 1 1 4 。国内的厂商也推出了一系 电子科技大学硕士学位论文 列的功率测量的产品，如中国电子科技集团公司第4 1 研究所的a v 2 4 3 2 2 4 3 3 2 4 3 4 系列微波功率计和a v 2 3 2 0 0 、a v 7 1 7 1 x a v 7 1 7 2 x 系列功率探头，以及成都前锋电子 的q f 2 4 9 0 系列功率计。 测试精度是评价一个测试系统的重要指标，主要取决于测试方案和测试所用的各 个器件。一个标准的功率测试系统通常由功率探头、功率指示器和必要的转接头组成， a g il e n t 公司在微波测量方面一直居于世界领导者的地位，其推出的功率测试仪器的 主要技术指标如下：功率探头的驻波比为1 0 5 1 2 1 ( 视信号频率而异) 、功率探 头检波线性度为1 3 ( 视输入功率而异) 、检波线性度的温度( o + 5 5 ) 特性为4 5 、校准因子不确定度为1 8 3 ( 视信号频率而异) 、功率指示 误差为0 5 、校准源功率波动误差为0 5 ( 两年时间) 等。国内产品和国外产 品相比，在功率测量精度方面还有一定的差距。 随着微波检波管性能( 检波线性度、抗温度漂移性能、可测信号灵敏度和检波灵 敏度的频率响应平坦度等方面) 的提高，微波功率测量仪器将向着小型化、低功耗、 宽频带、高精度的方向发展。 1 2 微波功率测量概述 一个微波信号的基本特征，除了频率外，就是它的大小( 幅度、电平) 。在低频 段，信号的大小通常由电压( 或者电流) 来表述，有时也会用到功率的概念，由于三 者之间具有确定的关系，任选其一，并没有本质的区别。在超高频分布参数电路中， 由于信号传输过程中传输媒介的非理想的特性，会不可避免的出现驻波，此时沿均匀 传输线各部分的电压幅度( 或电流) 会因为位置的不同而常常不相等，而传输功率则 有确定的数值。特别是在微波频段，所用的单导体传输线( 如波导) 中，电流、电压 更是失去了唯一性，而此时只有用功率才可以准确地表述信号的大小。在t e m 波传 输线中的行波条件下，由于各点阻抗都是z n ，电压v 、电流i 与功率p 三者之间仍 然具有与低频电路中类似的确定关系，即 p ：瞠( 卜1 ) z 0 或者 尸= m z o ( 1 2 ) 式中z o 为无耗传输线的特征阻抗，故z o 为实数。p 既可以代表电压v ( 或者电流i ) 2 第一章微波功率计概述 的行波在特征阻抗为z 0 的传输线上的通过功率，也可以代表在电阻与z 0 相等的匹配 负载中的吸收功率。因此在一定条件下在t e m 传输线中仍可以用测量电压的伏特计 来表示功率的绝对大小。即使在波导中，在选定了传输模式之后，仍可用等效电压与 电流的概念来描述波导中电磁波沿轴向的传播，而且可以用某些测电压或者电流的装 置测量沿线电场或者磁场强度的分布情况( 例如在开槽测量线中那样) 。多年来，由 于微带电路的出现及同轴线向精密化和小型化的方向发展，t e m 型传输线已经几乎 与波导一样深入到微波频率范围。因而，已经不能一概地说在微波范围内只能用功率 而不能用电压来表述或者度量微波信号的大小，也不能说测量微波功率的功率计与测 量电压和电流的仪表之间必定有原则的差别，而事实上有不少过去常用来测量电压或 者电流的方法和仪表( 如晶体检波器和热电偶) 已经发展成为新型的微波功率训”。 1 2 1 功率的有关定义 在射频和微波系统中，多数情况下都采用“平均功率”来表征信号的大小，而在 雷达系统、导航系统和t d m a 无线系统中，更多的采用“脉冲功率”和“峰值包络 功率”来表示信号的强弱。 功率的基本定义为单位时间内消耗或者提供的能量，单位为瓦特( w ) ，即1 w 为1 秒钟的时间内消耗或者提供的能量为1 焦耳。在交流电路中，测量器件所消耗的 功率时，一个重要的问题是，如何选择时间间隔来评估此时间间隔内消耗或者提供的 功率才能更加合理而准确地反映器件的功耗t i l 口如图1 1 所示，i ( t ) 、u ( t ) 和p ( t ) 分别为瞬时电流、瞬时电压和瞬时功率，d c 为平均功率。从图中可知，如果所 选的时间间隔很短( 小于一个信号周期) ，则得到不同时刻信号的功率不同的结论。 幅奠 。c 公_ - 旦。 i ( 0 、一一7 t 渺 图1 1 信号的瞬时功率 平均功率定义为多个低频信号周期时间内能量传递的速率。如果信号为连续波， 则最低信号频率和最高信号频率是相同的，所以此时的功率和平均功率度量的是相同 3 电子科技大学硕士学位论文 的物理量。但是对一个幅度调制( a m ) 信号而言，描述平均功率所用的时间间隔则 是几个调制信号周期的时间间隔。平均功率用数学公式表示为： = 去卜) f 出( 1 - - 3 ) 上式中，t 是最低频率信号瞬时电流i ( t ) 和瞬时电压u ( t ) 的周期。 脉冲功率是对脉冲信号幅度的一种表征方式，此时评估功率大小所采用的时间间 隔为脉冲宽度r ，r 定义为上升沿和下降沿幅度为信号幅度的5 0 时上升沿和下降沿 之间的时间间隔。脉冲功率定义为： o = 三- f 胁) f ( f ) 出 ( 1 _ 4 ) 要注意的是，脉冲功率不同于峰值包络功率，峰值包络功率是在脉宽间隔内瞬时功率 的最大值，通常是脉冲上升沿的过冲峰值。脉冲信号的脉冲功率和平均功率的关系为： 0 2 万f a v g ( 1 - 5 ) 功率 p e p p p p a v g 。r r = 1 工。 占空比= f f _ q l 图1 2 脉冲信号的脉冲功率 图1 3 信号的峰值包络功率 4 第一章微波功率计概述 对于一些比较复杂的信号( 例如信号为非理想的矩形脉冲) ，要更加准确地描述 信号功率可以采用脉冲包络功率来表征。图1 3 中，脉冲包络功率( p ( t ) ) 所采用 的时间间隔，比调制信号的最短周期要短，丙比载波信号的周期要长，峰值包络功率 ( p e p ) 为瞬时功率的最大值【2 】【6 】。 1 ，2 2 信号功率的度量单位 功率大小的度量单位常用的有兆瓦( m w ) 、千瓦( k w ) 、瓦( w ) 、毫瓦( r o w ) 、 微瓦( u w ) 等，通常还惯用某些对数单位( 最常用者为分贝d b ) 来描述信号的相对 大小。在规定的条件下，也可以用它来叙述信号的绝对大小( 常用者为d b m ) ，并且常 将分贝表示的信号大小称之为电平。 首先看如何用分贝表示信号的相对大小。设在一个传输系统中，通过某一点的信 号功率为日，另一点的信号功率为最，则由点1 到点2 信号电平变化的分贝数定义 为： d 4 l = l o l g 等( d b ) ( 1 - o ) 故分贝的基本用途是作为功率比的对数表示。如果4 。为正，则表示芝 墨，即芝相 对墨为电平升高或者增益；反之，若4 。为负，则表示愿 u 式中k 为线性区的增益；q 限幅区的限幅电平。 u 。 图2 - 6 单级放大器理想振幅特性 ( 2 1 1 ) 当输入电压玑很小但逐渐增大时，各级都不饱和，它们的输出电压随着输入信 号幅度的增大而线性增大，因此总的输出电压也随输入信号以的增大线性增大， 如图2 - - 7 的镅段所示o ”。这时整个放大器的增益最大，总输出电压为： 图2 7 用多段折线逼近对数曲线 一 般奶 p 肼”一根 坼枇 黑心怛 如 第二章微波功率测量相关技术 当q = t 时，末级放大器的输出电压开始出现饱和。随着的继续增大，末 级输出电压将保持= k ”u 。不变，而其余各级的输出电压仍为线性地增大。所以总 的放大器增益和先前相比降低一些，如图2 7 日昱段所示。工作点位于日时的总输 出电压为： 【，i l ：告 l = 磊，d ( 置4 q l + k “u + k ”一2 q + k 2o u i + k u ) ：眈蛳叽c 去+ 争- + 击+ 击， 娌1 3 当奶= 以2 = k u l i 时，最后两级放大器均达到饱和状态，倒数第二级的输出电压 也保持巩= k ”玑i 不变，其余各级输出电压则随着输入电压的幅度继续线性增加， 此时总的输出电压将以一个更低的速度继续成线性增加，如图2 - - 7 中最p 3 段所示。 工作点位于b 时总的输出电压为： 驴善 【，m = k d ( k ”u 1 + k ”u i l + k ”2 + x 2 q + k ) ；：吒+ 唼+ 去+ + 刍) ( 2 - - 1 4 ) 依次类推，当倒数第1 l l 级正好达到限幅电平时，得到图中的只点，其坐标为： u i m = 南 ( 2 _ 1 5 ) u 。- - m 妇u 。+ k d 蜥( 去+ 去+ + 击) ( 2 - - 1 6 ) 当输入电压增大到【n 时，第一级正好达到限幅电平观，即图中只点，其坐标 喃 u 。- - u 堕置r 由式( 2 - - 1 5 ) 褊m = 诼1 如( 地斧) 2 1 ( 2 1 7 ) 电子科技大学硕士学位论文 代入式( 2 - - 1 6 ) 解得： 。= 兰篙 m ( 三二嗟兰) + 场吼( 去+ 去+ 斗；) ( z 一s ) 上式表示在各折线段的交点处输出电压与输入电压的关系，上式的第一项为对数 项，而第二项为非对数项，它会影响对数特性的精确度。从图2 7 中可见，折线 的段数越多，则越逼近于真实的对数曲线，如图2 7 中的虚线所示，因此用电压连 续相加法构成对数放大器时，要求放大器的每级增益k 要小，而级数应该足够多【l ”。 由图2 7 可知，电压连续相加法的工作原理的实质是使放大器的振幅特性成为一条 有多段折线的曲线，这条曲线可以大致地具有对数特性的轮廓。 在这种对数放大器电路中，必须注意一个重要的电路单元延迟线，其作用是 使各级检波器输出的视频脉冲电压在终端负载上同相相加，其脉冲前沿重合，使输出 波形不发生畸变。 图2 8 是对数放大型检波器的内部结构图，图中详细地标定了输入信号波形在 器件内部各单元的传递情况，实际对数放大型检波器内部的放大器的增益为l o 2 0 d b ，图中简单起见都选择为2 0 d b 。输入的幅度很小的正弦信号依次通过放大器链， 图2 8 对数放大型检波器工作原理框图 幅度越来越大，自第三级以后信号被限幅在+ 1 v ，各级的放大器输出通过全波整流 器或者检波器，然后电压求和，最后通过低通滤波器( 其带宽决定着检波器的响应速 度) 输出，低通滤波器滤除电压波纹，输出信号与输入信号呈现线性一对数关系。当 输入为连续波信号时，此检波器的输出为直流信号；当输入为脉冲调制的高频信号时， 合理选择低通滤波器的带宽，就会得到纹波很小的脉冲包络，通常滤波器带宽越宽， 产生的波纹越大【1 0 l 。 第二章微波功率测量相关技术 对数放大型检波器既可以用来检测信号的有无，也可以检测信号电平的大小。当 用来检测信号的有无时，需要在检波器后面接一个电压比较器，来对不同大小的信号 产生同一的表征信号有无的电压值。当检测信号电平的大小时，必须要注意检波器的 宽带匹配性能、对脉冲信号响应的速度和大动态范围内的检波线性度。 2 3 其它微波功率感测技术 除了晶体检波式功率计外，还有测热电阻式、热电偶式和量热式功率计。下面对 这三种功率计做一下简要的介绍。 测热电阻对微波能量的传感作用是利用某种电阻元件的热效应把微波功率变换 成可测的电信号，它是利用具有显著温度系数的材料制造成一种电阻元件。根据电阻 测热特性的不同，测热电阻可分为正温度系数电阻( 如镇流电阻) 和负温度系数电阻 ( 如热敏电阻) 。选择测热电阻元件时，一般考虑如下问题：灵敏度的高低；是 测量绝对功率，还是相对功率；抵抗过载烧毁的能力；用于宽频带还是窄频带； 响应速度的快慢；所用辅助电路的复杂程度【7 1 。 热电偶对微波能量的传感作用是把热效应变换成热电压。当两种不同金属结点的 温度高于其余自由端的温度时，在两个自由端之间便会出现直流电势，其大小与冷热 端的温度差成正比，这种现象称为热电效应，可以产生显著热电势的那一对金属称为 热电偶。常用的热电偶式功率计采用的是铋锑薄膜热电偶，由于产生的热电压很小， 需要使用低噪声、高增益、高线性度和稳定性好的斩波放大器来放大定标，才能指示 出微波功率的大小。 量热式功率计简称量热计，其功率传感元件有静止负载和流体负载两种，两者在 中、大功率测量中都有应用，后者不适合小功率测量，由于流体负载式量热计设备庞 大、笨重，现在已经很少使用。量热式功率计是把吸收微波功率的负载( 量热体) 放 在隔离容器里( 如图2 9 所示) ，当加入恒定的高频功率p 时，量热体的温度t 将随时 间t 直线上升，如果测出么t 秒内温度升高么t ( k ) ，便可求出该时间内的平均功率： p = m c 丛 ( 2 1 9 ) a t 式中m 是量热体的质量( k g ) ，c 为量热体的比热( j k g ) 。所要注意的是，要合理的 选择时间间隔，所取时间间隔从功率加入时开始应足够长，以便建立起便于测量的温 差，但是时间也不能过长，以免因绝热不完全而出现温度饱和现象【习。 电子科技大学硕士学位论文 p 褫 图2 9 绝热式静止量热计 2 4 微波脉冲功率测量技术 微波脉冲设备在现代电子设备及电予对抗中占有重要地位，如雷达、数字信号系 统、电磁导弹等，都需要测量其脉冲功率的大小，测量脉冲功率的常用方法有：平均 功率法、替代法、镇流电阻积分一微分法、取样比较法和陷波技术法，本部分主要介 绍前两种方法。 2 4 1 平均功率法 设脉冲为矩形，宽度为f ，重复周期为z ( = 1 l ) 。用连续波功率计测出脉冲 的平均功率，由式( 1 5 ) 即o = 1 熹= 只喀q 可求出脉冲功率，其中q = z ， q _ 1 是微波脉冲的占空比。当脉冲为非理想矩形时，须进行适当的修正，乘以波形修 正系数k ，即0 = k q 。k 等于实际脉冲的最大电平( 峰值脉冲功率) 与具有同 样宽度和面积的等效矩形脉冲电平之比，k 经常估计得到。一种平均功率法测量电路 如图2 1 0 所示。测量时必须注意最大脉冲功率和功率座的单位脉冲承受能力。测量 图2 一l o 脉冲功率平均法测量电路 2 4 第二章微波功率测量相关技术 时用示波器显示脉冲波形，并测出重复频率，和宽度f ，用功率计测出平均功率气；， 当定向耦合器的耦合系数为c ( d b ) 时，测得的脉冲峰值功率为： 弓= 世只q 1 0 “1 0 ( 2 2 0 ) 此方法使用频段宽，且量程大，但是不适用可变占空比的场合，测量时间较长， r 和z 的测量精度不高。 2 4 2 替代法 替代法测量微波脉冲功率的测量电路如图2 1 1 所示，其测试步骤为：用示波 器显示出包络波形如图中曲线l 所示；将示波器改接到一台信号发生器上，调节发 生器的输出电平直至示波器上的基线偏移到与原包络脉冲波顶同样的高度，如图中曲 线2 所示。这时如果信号发生器的输出电平能够读数，则读出的m w 或者d b m 值便 等于定向耦合器取出的脉冲信号的功率，再考虑到定向耦合器的耦合系数，便可以求 得主线微波脉冲功率：如果信号发生器没有定标，便可以将其输出改接到一台普通 的功率计上，读出其功率值【”。 图2 一l l 微波脉冲功率替代法测量电路 电子科技大学硕士学位论文 第三章a d 模数转换技术 随着数字化技术的日臻完善，模数转换器( a d c ) 得到了广泛的应用，在高清 晰度电视、医用成像、雷达、通讯等领域中有着巨大的应用前景。a d 转化器是微波 功率测量中的一个重要器件，来自a d c 的采样误差是微波功率测量误差的一个重要 方面，因此需要认真地选择a d c ，并对其误差进行合理地评估。有关a d c 的工作原 理在很多相关文献和书籍中都有详尽的介绍，这里就不再赘述，本章主要介绍a d c 的一些性能指标、影响a d c 精度的误差分析以及如何选择合适的电压基准和放大器。 3 1a d o 的主要性能指标 ( 1 ) 信噪比和有效位数 信噪比( s n r ) 是信号电平的有效值与奈奎斯特带宽内的各种噪声( 包括量化噪 声、热噪声等) 有效值之比的分贝数。理论信噪比( 即只考虑量化噪声的因素) 取决 于a d c 的量化位数，量化位数( 即a d c 的位数) 越多，量化噪声就越小，其理论 信噪比也就越大。对于满度值输入的正弦信号，其理论信噪比可表数为： s n r = 6 0 2 n + 1 7 6 d b ( 3 - 1 ) 其中，为a d c 的位数。应当指出，上式没有考虑采样速率对信噪比的影响，事实 上，提高采样速率( 即过采样) 可以提高a d c 的信噪比，这也相当于提高a d c 的 位数，即 s n r = 6 0 2 n + 1 7 6 + 1 0 1 9 ( 么b ) ( 3 2 ) 其中b 为模拟信号的带宽，五2 丑，l 么称为过采样倍率，i g ( t 么) 称为处理 增益【1 3 】。 信噪失真比( s i n a d ) ，又称为信纳比，记作必，十d ) ，是指输入信号有效值与 奈奎斯特带宽中全部其它频率分量( 包括噪声和组合频率分量，但不包括直流分量) 总有效值之比的分贝数。s i n a i ) 与s n r 不同之处在于考虑了谐波分量的影响，目的是强 调a d c 在实际应用中的谐波失真，影响了a d c 的实际分辨率，等效地降低了a d c 的位数。 2 6 第三章a d 模数转换技术 a d c 实际可达到的位数称为有效位数( e n o b ) ，如果已戋h s i n a d ( 通常用实测的方法得 到) ，e n o b 可表述为叫： e n 。b = 【s i n a d 一1 7 6 d b - 1 0 1 9 ( 2 五b ) 6 。2 ( 3 - - 3 ) 显然，上述e n o b 是一个综合性的动态性能指标，它与系统的采样速率、信号 带宽、信号幅度、噪声、谐波失真等均有密切的联系。在一般情况下，s i n a i ) 和e n o b 与信号频率、温度和输入信号幅度之间的关系可以通过器件生产厂商提供的数据手册 来了解。图3 1 是a d 7 6 2 1 的s n r 、s r q a d 及e n o b 随输入信号频率和环境温度 变化的情况。 ill i 冬。l 芦 j 、 s ut e 一 一 | | j j | | j j j | | 0 0 00 00 0 0 00 | |0 、 ， 8 “ 目咐日 电子科技大学硕士学位论文 电平的分贝数。应当指出的是，输入信号基波的幅度一般要低于满度值0 5 至l d b ( 约为满度值的8 9 至9 5 ) ，以防止输入信号饱和。 ( 3 ) 无杂散动态范围 无杂散动态范围( s f d r ) 定义为在奈奎斯特带宽内测得的信号幅度( 有效值) 和最大杂散分量有效值之比的分贝数，即 s f d r = 2 0 1 9 ( 、：s p u 咖a ) 【) _ 2 0 1 9 2 0 1 0 9 v 茹一 ( 3 5 ) 其中，v 为信号幅度有效值，v 。为最大杂散分量的有效值。s f d r 反映的是在 a d 输入端存在大信号干扰时，能检测出有用小信号的能力。s f d r 通常是输入信号 幅度的函数，对于一个典型的a d c 来说，最大的无杂散动态范围一般发生在输入信 号低于满度值几个分贝的电平。 应当指出的是，根据输入信号的幅度不同，其最大杂散分量的来源也不同。当输 入信号幅度接近满度值时，其最大杂散分量由前几阶谐波分量中的某最大分量决 定。当输入信号的幅度低于满度值几个分贝时，其杂散分量不直接取决于其输入信号 的谐波分量，这是由于a d c 的非线性和其它因素所致。可见，s f d r 是度量a d c 失 真性能的综合指标，而不论失真来源如何。图3 2 是a d 7 6 2 1 的s f d r 和t h d 随信 号频率和温度变化的情况。 巾 - 、 一 柙、 、 ， 、 卜 、 l页 一 、 产融 今 奠k久、 t h m 0 ， 图3 2a d 7 6 2 1 的s f d r 和彻与信号频翠和温度的关系 n 位a d c 的s f d r 通常比s n r 大得多。对某种a d c 而言，可以通过增大采样 速率来提高其分辨率，从而提高s n r ，但不可能增加s f d r 。 ( 4 ) 孔径抖动和孑l 径延时 当输入模拟信号频率较高时，孔径抖动是a d c 信噪比( s n r ) 下降的一个重要 2 窖 第三章a d 模数转换技术 原因。孔径抖动是指a d c 采样时钟( 通常作用于采样保持器) 的各个时钟周期的抖 动，是由各时钟周期边沿出现时刻的不确定性所导致的。因此，孔径抖动也被称为相 位抖动和孔径时间抖动，通常是用时间量( 一般为n s 或p s 数量级) 来表示( 一般为 时间变化量的有效值) 。孔径抖动会导致采样电压误差( 或称孔径抖动误差) ，如图3 3 所采瑚。 从另外一个角度看，孔径抖动实际上导致了采样间隔的不确定，当我们以标称的 时间间隔对采样信号进行重构时，其中必然包含由电压误差所导致的噪声。由于电压 误差是信号压摆率的函数，因此孔径抖动所造成的噪声在高频输入信号的情况下显得 尤为严重。 图3 3 孔径误差 需要说明的是，在现代高速a d c 的设计中，为了降低采样保持器与a d c 的连 接难度，常常将两者集成在一起。在这样的器件中，如果s n r 或者e n o b 已经有了 明确的参数规定，就不必过于关注孔径抖动的性能指标，因为s n r 中已经包含有孔 径抖动的影响。另外，在使用此类高速a d c 时，额外地增加高性能的采样保持器( 如 a d 9 1 0 0 ) 通常会改善高速a d c 在高频输入下的s n r 性能。 孔径延时是指采样命令( 通常是采样时钟的上升沿) 与真实的采样时刻之间的时 间偏移量。孔径延时是一个固定的时间偏移量，它会造成采样数据相对于采样时钟的 延迟，但一般不会导致噪声。在某些应用系统中，例如，在有多级延迟传递的系统或 者在有多个高速a d c 需要相互同步、相互跟踪的系统中，这个参数是十分重要的。 ( 5 ) 小信号带宽和全功率带宽 a d c 的模拟带宽是指输入扫描频率基波在a d c 输出端用f f t 分析得到基波功 率下降到3 d b 处的带宽( 不考虑谐波失真和噪声的影响) 。根据输入信号幅值的不同， 模拟带宽又分为小信号带宽( s s b w ，一般指1 1 0 满度值) 和全功率带宽( f p b w ， 一般指满度值) 。 与运算放大器类似，a d c 虽然提供了模拟带宽的技术指标，但并不意味着在此 电子科技大学硕士学位论文 带宽内均能保持优良的失真性能和有效位数。事实上，大多数a d c 在输入频率到指 定带宽之前，其s i n a d 或e n o b 指标就已经大大下降了。而一般说来，小信号带宽 比全功率带宽要大得多。 3 2a d c 精度分析 a d c 因其自身的特殊性，在选择时必须注意a d c 的精度或者有效位数。影响 a d c 精度的因素很多，本节将介绍几个主要的误差源，并评估这些误差对a d c 精度 的影响。 3 2 1 影响a d c 精度的误差源 ( 1 ) 微分的非线性误差 微分非线性( d n l ) 误差揭示了一个输出码与其相邻码之间的间隔，这个间隔通过 测量输入电压的幅度变化，然后转换为以l s b 为单位后得到，其表达式为“”； 删l ：毕一1 ，其中，为数码d 所对应的实际输入的电压值，：笋， ，a 二 ，为a d c 的基准电压。一个性能优良的a d c 常常声称“无丢码”，这就是说当输 入电压扫过输入范围时，所有输出码组合都会依次出现在转换器的输出端。当d n l 误差小于l l s b 时就能够保证没有丢码；若该误差值等于i l s b ，就可能丢码；d n l 误差值大于4 - 1 l s b 时，器件就会有丢码。图3 4 是a d c 的d n l 误差可能造成数码1 0 丢失。 ( z ) 积分的非线性误差 积分非线性( i n l ) 定义为d n l 误差的积分，i n l 误差告诉设计者转换器的测量结 果距离理想转换函数值有多趔1 6 】【堋。例如，如果a d c 的预算误差为0 0 7 5 ，对于 一个1 2 位系统来讲，2 l s b 的i n l 误差相当于2 4 0 9 6 或0 0 5 的最大非线性误差， 这已占去a d c 误差预算的2 3 。因此，有必要选用一个i n l 为1 l s b 或更好的器件。 若i n l 误差为i l s b ，等效精度为0 0 2 4 4 ，占a d c 误差顶算的3 2 5 ；若i n l 误差为0 5 l s b ，精度为0 0 1 2 ，仅占a d c 误差预算的1 6 。需要注意的是，无 论是i n l 或者d n l 带来的误差，都不太容易校准或修正【1 8 】【1 9 1 。 ( 3 ) 失调误差和增益误差 失调误差是指使最低有效位成“1 ”状态时的实际输入电压与理论输入电压之差， 这一差值电压又被称为偏移电压，一般以l s b 表示俐。增益误差是指满度值输出数 3 0 第三章a i d 模数转换技术 码时，实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差，它使传输特性曲线绕坐标原点偏 离理想特性曲线一定的角度【l s 】【嘲。失调误差和增益误差都将造成a d c 动态范围的减 小，某些情况下可以通过软件进行校准，由图3 5 可以清楚地看出失调误差和增益 误差的含义【2 ”。 模拟输入电压，v 图3 4a d c 的d n l 误差 数 码 输 出 失 霎毒 差 模拟输入电压 r 图3 5 失调误差和增益误差 ( 4 ) 电压基准产生的误差 无论是采用内部电压基准还是采用外部电压基准，其产生的误差也是不容忽视 的。下面从温漂、电压噪声和负载调整三个方面来说明电压基准产生的误差”1 。 温漂是一项很容易被忽视的指标。对于一个1 6 位转换器，要在整个温度范围 ( 一4 0 + 8 5 ) 内保持优良的精度，最大允许的温漂为0 1 2 p p m 。c 。不幸的是，包含 有这样高性能的片内基准的a d c 很难找到。若放松要求，将温度范围限制在l o 以 内，那么1 6 位a d c 的基准参考电压最多允许1 5 p p m ， c 的温度漂移，这对于片内基 准来讲仍然是相当严格的要求。对有些系统来讲，基准参考电压的精度不是一个大问 题，因为温度被保持恒定，避免了温度漂移问题。还有一些系统采用一种比例