宽带射频检波功率计的设计

摘 要 本系统实现-45dBm～+5dBm的3GHZ射频信号的常用功率检测。射频信号经过巴伦变压器进行信号阻抗匹配后经过检波芯片后进行信号的调理、低噪声放大滤波后输出直流信号，使用LMV321运放对直流信号的电压跟随，以增强信号输出的稳定性，再用STM8内部10位A/D转换器对功率剑波器输出直流电压进行A/D转换，将A/D转换后的数据进行计算功率值和幅度值并显示在OLED液晶屏上。同时上位机可进行对当前功率值和幅度值实时显示和频率、修正参数的设置。经试验测试，该功率计测量范围-45dBm～+5dBm，分辨率0.1dBm，测量误差为±0.5 dB，测量频率范围1MHZ～3GHZ。

【关键词】STM8单片机 ADC 功率计 AD8362

1 引言

射频信号的重要表示方法之一就是功率，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线网络的衰减等都离不开微波功率的测量。射频功率计一般由功率传感器和显示器两部分构成，按照连接方法分类有两种射频功率计，分别是终端式和通过式，终端式的负载为功率计探头，吸收全部入射功率，直接显示功率值，但是不能测量大功率，上限为+25dBm，下限为-90dBm，用于测试小信号。通过式则是利用耦合装置将待测功率按比例耦合出部分进行有效测量具有大功率测量能力，总功率等于测量值乘以耦合系数。因此终端式和通过式功率计被应用于不同的领域，一般终端式功率计被应用于射频信号的测量，而通过式功率计应用于大功率设备的功率测量。随着通信领域的不断发展，射频信号的测量显得尤为重要，因此设计一款精度较高、频段可以调整、抗干扰强的便携式射频功率计显得更加适应当今市场需求。

2 功率计的工作原理和设计方案

本系统将待测输入信号经过输入阻抗匹配后送入到功率检波芯片，功率检波电路将输入信号的功率转换成相应的直流信号输出，再通过A/D进行电压采集，为了使得前、后级电路之间互不影响，在检波芯片输出直流信号和A/D之间加上电压跟随器。主控制器芯片将采集到的电压值和对应的频率值来计算出当前相应频率下的功率值大小。频率值和修正值采用按键输入方式实现改变，液晶屏显示相应信息。系统还要实现上位机的实时显示和参数修改的功能，系统框图如图1所示。

功率计的测量精度主要受开关、放大电路、AD采样及检波器等硬件电路和数据处理计算机程序处理等软件部分的双重影响。其中检波电路的性能影响较大，是功率检测的关键部分。为了实现信号源在不同频段，不同功率值下的准确测量，采用不同的对数宽带检波器。

3 硬件实现

3.1 硬件实现整体介绍

系统的模拟硬件电路部分主要包括：主控制器芯片、信号功率检测部分、电源稳压电路以、显示部分和USB转串口电路。主控制器芯片采用采用STM8单片机，其具有有较高的响应速度和丰富的外设资源。它运行速度快，指令操作速度快，控制器主频最高可以达到16 MHZ。STM8片内资源较丰富，拥有大容量的系统内可编程Flash、内部RAM以及EEPROM、可编程的串行UART接口和多路高速10位A/D转换器等。信号功率检测部分采用AD8362作为信号输入检波的电路设计。信号源输出的阻抗为50Ω，为了信号通过功率检测模块时功率损耗降至最低，在功率检测模块输入端采用巴伦进行阻抗匹配。为了不影响AD8362的检波斜率，在检波输出端口加上一个电压跟随器。电压采集的稳定性决定了采样到的功率值的精确度，采样电压越稳定，得到的功率值越精确。

3.2 功率检波电路设计

AD8362是一种真有效值响应的功率检测器，输入动态范围：-52 dBm至+8 dBm的50Ω阻抗下测量范围大于60dB。它能满足多种高频通信系统和仪表对精确信号功率检测的要求。可以接受具有有效值1mV到输入到1 Vrms，峰值波峰因子为6，满足了CDMA信号的精确测量的要求。AD8362检波电路如图2所示。

電源电路设计采用反接二极管D1方式，防止电源接反导致烧坏芯片。滤波电路采用C1、C2和LS1电感构成π型电源滤波电路，降低电源纹波，保证电路工作的稳定性。采用R1和D2发光二极管构成电源指示灯。信号输入阻抗匹配采用巴伦变压器E1进行匹配，以降低信号损耗和噪声系数。为了消除前增益放大的偏移。器件内部采用零偏移环路，其默认高通角频率为1MHZ，则可焊接C6，容值按200uf/f（fin） HZ计算。C11是加在平方单元输出端的外部低通均值电容，3db低通截止频率f=1/（C11*1.1kΩ），粗略计算为C=900uf/f（fin），容值越大滤波越充分，但会加大环路延时。Eg：F=3MHZ，C=300PF，输入耦合电容与200Ω差分输入阻抗共同影响输入高通截止频率，F=1/（200*π*C），f至少应等于输入信号频率的十分之一。若Vout的所有信号都反馈到Vset，则输出直线斜率为默认值50mv/dB，但R7和R8的分压可以改变输出斜率，R7=R*（S/50-1），S为期望得到的斜率，R为R8与Vset的70K输入阻抗并联后的值，若减小VTGT的电压，则在相同输入信号功率的情况下，检波输入的电压增大。AD8362芯片的输入内阻阻抗为200Ω，所以电路使用ETC1.6-4-2-3型号的巴伦变压器，实现1：4的阻抗匹配变换实已达到阻抗匹配的目的。

3.3 电源稳压电路设计

主控制器和OLED供电电压均为3.3V。其不仅不能保证处理器的正常运作，还能保证ADC值的稳定输入。本系统设计采用ASM1117-3.3V芯片，其三端可调或固定输出电压为3.3V，可输出1A的电流。USB接口输出+5V的电压经过ASM1117稳压芯片供给微处理器和外设模块使用，系统的电源都要考虑到降低电磁干扰和滤波，经过电容滤波后再为各个模块供电，保证系统工作的稳定。电源的布线是一些滤波电容应当尽量靠近IC引脚，这样滤波效果会更好。endprint

3.4 USB转串口电路设计

USB转串口电路采用CH340芯片来实现。CH340正常工作时需要XI和XO引脚接入12MHZ晶振，以提供12MHZ的时钟信号，在XI和XO引脚对地接负载电容，使得晶振振荡频率更准确，更稳定，负载电容取22pf大小的容值。CH340芯片的供电电压使用5V电源时，在 V3引脚应该外接容量为0. 1uF的电源退耦电容。CH340的D+和D-分别接到micro USB接口的D+和D-引脚处。TXD和RXD的引脚分别接到控制器的RX和TX引脚。

4 软件设计

软件流程：

主程序是整个软件系统的主干，进行的工作将各个模块进行初始化，并联合起各个模块协调工作，保证系统工作的有序性。软件流程图如图3首先进行系统初始化，包括配置系统工作时钟频率、延时函数、串口初始化和A/D配置初始化。等系统初始化工作。接着进行硬件初始化工作，包括OLED液晶屏初始化，MPR121初始化等。系统和硬件初始化后即可对功率进行采样，得到的电压值进行转换成功率值，再经过修正系数得到最终功率值和幅度值，通过将液晶屏显示出相应的参数信息同时将信息发送到上位机显示。同时查询上位机发送过来的串口数据，根据数据设置相应的参数配置。

5 调试结果

经过软硬件的调试，成功完成系统设计，得到表1的數据结果。

从测量数据分析得到，50MHZ和3000MHZ在-45dBm的数据测量中均偏小很多，即截止测量范围在频率的两端较小，中间较大。图4的数据表明了频率与截止测量范围的关系，在2200MHZ最大，两头逐渐变小。测量到的数据满足曲线关系。图5表明一定的频率内在相应输入功率与输入电压之间的关系，在-50dBm到10dBm之间几乎呈线性趋势，程序中采用线性函数计算出相应的功率值，其在相应频段内满足线性的趋势，与图4所示的关系相匹配。

由AD8362实现的功率计，其信号的输入与输出电压的在一定范围内具有线性特性的，但是测量的范围与实际数据手册所能测量的范围存在一定差别，原因主要有：斜率的不同导致输出电压的范围有差异；PCB布线具有信号的衰减特性，在数据中可以看出，在输入信号较低的功率时存在不线性，最有可能是输入信号衰减导致系统最快达到截止功率点；信号接入的探头具有衰减。

6 结束语

本系统具有简单、成本低、实用性强等特点，测量范围-45dBm～+5dBm，分辨率0.1dBm，测量误差为±0.5 dB，测量频率范围1MHZ～3GHZ，但是仍存在一些不足的地方，精度不是很高，这是因为芯片前级灵敏度高，有噪声干扰造成的。

参考文献

[1]苏国良.无线通信技术发展趋势[J].移动通信，2010（10）：68-70

[2]王琳，李晓峰，蔡竟业等.无线通信射频实验平台的建设[J].实验科学与技术，2011，9（04）：72-74

[3]Analog Devices，Inc.AD8362 Datasheet [DB/OL].http：//www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8362.pdf，2005.

作者简介

刘涛（1983-），男，湖南省永州市人。硕士研究生。现为桂林电子科技大学讲师。研究方向为无线通信、光通信、射频技术。

作者单位

桂林电子科技大学信息与通信学院 广西壮族自治区桂林市 541004endprint