一种峰值功率探头的设计

李春玉

（中电科仪器仪表有限公司，安徽 蚌埠 233010）

信号的功率电平是几乎所有射频和微波设备的主要指标之一，对微波功率电平的精确测量已成为现代微波测量中最重要的一环。在射频和微波频段，信号波长可以与测量装置的尺寸相比拟时，电压和电流已失去唯一性而不被实用于测量。直接测量功率更为方便，并有广泛的用途。

测量微波功率的方法是多种多样的，但大多数测量方法的实质是在于首先将信号功率转变为某种易于测量的其他能量形式，而功率计是简便、准确地测量这些能量的仪器。

功率计配接功率探头可对微波脉冲信号的平均功率、峰值功率、脉冲顶部幅度、脉冲底部幅度、脉冲过冲、脉冲倾斜度、脉冲上升时间、下降时间、脉冲宽度、脉冲周期、脉冲重复速率等多种参数进行准确测量分析，广泛应用于雷达、导航、制导、电子对抗、通讯等领域。

文章介绍了一种峰值功率探头的部分电路设计思路。

1 探头简介

此峰值功率探头为平衡双二极管检波方式，连接功率计主机测试范围为-60～+20dB，主要由以下7个部分组成：①微波检波部分；于前置放大；③触发电路部分；④定时电路部分；⑤延迟电路部分；⑥取样保持电路部分；⑦数字控制电路部分等。关系如图1所示。

图1 功能结构框图

2 关键电路

2.1 双二极管检波

为完成对信号的测试，首先需对输入信号进行解调，峰值功率探头选择双二极管检波，二极管检波器具有非线性的i-V特性，可利用整流将高频能量转换为直流。在数学上检波二极管服从于二极管方程:

图2 二极管检波特性曲线

式中α=q/nkT，i是二极管电流，V是跨在二极管上的净电压；Is是二极管饱和电流，且在给定温度下为常数，K是波尔兹曼常数；T是绝对温度；q是电子电荷；而n是适应实验数据的修正常数。将上式写成幂级数的形式：

对于典型的检波二极管来说，其检波特性一般可分为平方律区、过渡区和线性区。其平方律区处于从噪声电平开始（一般可从-70dBm开始）一直延伸到-20dBm左右的这一段区域，在该区域，由式3-2输出i（或V）正比于射频输出电压的平方、即射频输入功率。从-20dBm到0dBm为过度区，0dBm以上为线性区，当输入信号电平处于二极管的过渡区和线性区时，由功率计主机对探头线性进行补偿。

峰值探头在设计过程中加入了-3dB衰减，这部分电路被设计在检波之前，使得功率探头最大测量功率可达到+23dB，提高了功率测量的最大值，加入-3dB衰减后，同时也提高了功率线性度，提高了阻抗匹配性能。

2.2 模拟通道与数字控制

（1）模拟通道。上面已经介绍了微波部分检波二极管的相关内容，结合图1，输入信号经过检波后，检波信号需在模拟通道完成各种处理。图3是对信号在模拟通道中的信号时序设计思路：

图3 通道电路时序

在图3中可以清楚的看到各个信号节点的波形情况。前两个就是经检波二极管检波后得到的一正一负互为反向的直流信号，经过前置放大、两级延时放大后，进入整个电路的关键部分：跟踪保持和采样保持。

该部分电路在设计上由数字控制电路部分产生的两个反向的控制信号来控制开关，已确保跟踪或者采样的执行，跟踪保持是在采样保持之前被执行的，跟踪保持跟踪信号并保持几百微秒的时间，而采样保持首先需要得到跟踪保持的信号，然后保持该信号几百毫秒。跟踪保持和采样保持过程是由电容的充电放电来完成的。

（2）数字控制部分。数字控制部分主要提供采样控制信号、取样延迟信号及存储探头等各种数字控制功能，包含一系列复杂的触发电路、门电路、寄存器电路、计数器电路等。

图 4 数字控制电路

数字板提供了有限的延时功能，延时范围是约100ms。在内触发和外触发模式下，主机输入一个串行数据信号通过触发先产生一个“READY”（如图4所示）信号来要求探头开始采集，这一过程通过U8B触发，上升沿有效，U8B是一个D触发器，C蕴R端用于控制整个数字控制电路产生复位。收到这个“READY”产生的触发信号后由U13将其锁存和延时，同时它还提高了上升沿和下降沿的准确度，U12B是一个单稳态多频震荡器，在时钟上升沿时产生一个稳定的宽脉冲信号，与U13延时后的信号共同来控制U3产生一个10MHz的时钟，该时钟用来控制计数器开始计数一直到“满”为止，中间产生一个被延迟了的波形输出信号，该信号被延时51μs，与输出的控制信号进行比较，这样计数的输出被允许达到51μs的脉冲宽度，用来对计数器和产生采样信号的触发器进行复位控制。这时计数器被重新加载5μs，这段时间10MHz的时钟暂时停止。触发采样和“READY”信号翻转复位大约1μs。当时钟正在运行时，U12B输出的信号用来复位触发循环过程。采样开关输出的SAMP与/SAMP信号是相反的，用来控制模拟通道部分中的跟踪保持和采样保持，这是我们最后需要的，SAMP的上升沿时跟踪保持开，SAMP下降沿时跟踪保持关而采样保持开。采样控制信号同时送数据给预置部分，产生稳定脉冲信号来控制产生SAMP与/SAMP信号的触发器清零端，预置部分是主要的针对于计数器的复位电路。

此峰值探头集成度高，功能强大，稳定性强、可靠性高，具有广阔的应用市场。

［1］ 刘永亮，李强，於莹.新一代天气雷达测试仪表使用解析［J］.气象研究与应用，2014，35（1）：94-96.

［2］ 廖长英.低频模拟电路［M］.成都：成都电讯工程学院出版社，1988.