基于定向耦合器的高动态范围矢量阻抗测量模块设计

王 鹏,李翔宇

(桂林电子科技大学 电子信息学院,广西 北海 536000)

矢量阻抗测量技术在仪器仪表、传感器、通信传输系统以及PCB(Printed Circuit Board)分布参数分析等领域具有重要作用。在仪器仪表领域,矢量阻抗测量通常采用自平衡电桥法或矢量网络分析法。这两种方法主要聚焦在高测量精度以及高频带覆盖范围上[1]。矢量阻抗测量的另一重要应用领域为通信设备中的发射通路,例如基站的功率控制及调节电路、通信及干扰发射机的通信保护电路、短波天线调谐电路、中波及长波天线调谐电路等。在这些领域中,矢量阻抗测量电路的设计重点为高输入动态范围、电路简单耐用、测试速度快、可扩展性良好以及成本低廉。针对这些需求,本文设计了一款高动态范围、体积小、测量反应速度快且精度高的矢量阻抗测量模块,并探讨了一种经济实用的矢量阻抗测量方法及其主要软硬件实现方法。

1 矢量阻抗测量原理

射频阻抗的测量在原理上需要得到参考端口上的矢量电压与矢量电流,再经过计算得出其阻抗数值。矢量电压与电流的直接测量较困难,而且负载存在失配情况,导致矢量电压与电流的变化范围较大。因此,在实际工程中多采用间接测量的方法对矢量阻抗的相关参数进行测量,然后通过计算得出其阻抗值[2]。研究人员结合理论与实践,建立了多种工程应用阻抗测量的方法,其中每种方法都有其特点和其较适合的应用范围。本文采用定向耦合器读取发射时的正向功率与反向功率,电路原理如图1所示[3]。

图1 定向耦合器电路原理Figure 1．Principle of directional coupler circuit

1.1 定向耦合器原理

定向耦合器由两组变压器以及电阻衰减网络构成[4]。利用变压器原理,电流在线圈内形成磁场,交流电在线圈内形成交变磁场,交变磁场使线圈内形成交变电流[5],根据磁通势原理,线圈的匝数与线圈内电流成反比,与电压成正比[6]。

在图1中,T1为电流取样变压器,T2为电压取样变压器,两个变压器完全相同,匝数比为1∶N,R1=R2=Z0=50 Ω,Z0为传输线路的特性阻抗。根据传输线理论,RF输出端的电压、电流为

(1)

式中,U0为RF输出端的电压;I0为RF输出端的电流;Ufwd为入射电压;Ifwd为入射电流;Uref为反射电压;Iref为反射电流[7]。

电流取样变压器T1的1～2端仅为1匝,其感抗与等效电阻较小,等效电阻不到0.1 Ω,与R1、R2的50 Ω阻值相比,可忽略不计。因此,电流取样变压器T1的3～4端的负载阻抗为R1、R2的并联(即Z0/2)[8],其等效电路如图2所示。

图2 T1、T2的等效电路Figure 2. Equivalent circuit of T1 and T2

(2)

式中,IT1为T1的等效电流;Ifwd为入射电流;Iref为反射电流;N为变压器匝比。

同理,电压取样变压器T2的负载阻抗为R1、R2的串联(即2Z0),其等效电路如图2所示。

(3)

式中,UT2为T2的等效电压;Ufwd为入射电压;Uref为反射电压;N为变压器匝比。

电阻R1、R2的取样电压值UR1、UR2分别为

(4)

(5)

式中,UR1为电阻R1的取样电压;UR2为电阻R2的取样电压;IT1为T1的等效电流;Z0为50 Ω特性阻抗;UT2为T2的等效电压;Ufwd为入射电压;Uref为反射电压;N为变压器匝比。

从上述推导过程可以看出,从取样点取出的射频电压(射频功率)与正向电压(功率)、反向电压(功率)成变比关系,故只要取样到这两点的功率值即可求出被测阻抗的电压驻波比VSWR(Voltages Standing Wave Ratio)[9]。

1.2 阻抗测量计算原理

本文采用对数放大器AD8306对正反向功率进行取样。AD8306的输入动态范围为(-91～9 dBm),输出电压斜率为20 mV·dB-1。只要符合AD8306的动态线性范围内的输入功率都可以被AD8306转换成为线性直流电压,再通过A/D转换器(Analog to Digital Converter)进行转换,就可以精确测量出正向功率Pfwd与反向功率Pref。

反射系数为

(6)

式中,Γ为反射系数;Pfwd为正向功率;Pref为反向功率。

进而计算出驻波比

(7)

式中,VSWR为电压驻波比;Γ为反射系数;Pfwd为正向功率;Pref为反向功率[10]。

最终取样结果由两个测量点取值的比值构成,比值可以消除硬件在频段内的衰减和增益误差,所以该计算方式适用于实际的测量系统。比值测量可以忽略微小的线路误差以及测量误差,对设计电路具有较好的鲁棒性。由于AD8306提供了100 dB的动态范围,因此当射频输入功率范围为20～1 000 W(43～60 dBm)时,通过定向耦合器衰减33 dB后对应10 mW(10 dBm)、500 mW(27 dBm)。此时通过对后端T型衰减网络进行合理设计,系统即可覆盖20～1 000 W的功率测量范围,从而实现高动态范围的设计要求。

被测矢量阻抗为

(8)

式中,ZL为被测阻抗;Z0为50 Ω特性归一化阻抗;ZΓ为反射系数的矢量表示。其中,ZΓ=RΓ+jXΓ,RΓ=|Γ|×cos(φ),XΓ=|Γ|×sin(φ)。前面系统已经得到|Γ|值,所以只需要再得到正向功率与反向功率之间的相位差φ就可以计算出被测矢量阻抗。AD8306提供了一个幅度限制输出管脚,可以将输入信号的波形转化成方波并进行限制幅度的输出[11]。利用这一特性,对输出的方波进行整形并进行数字异或运算,可以得到入射信号与反射信号的相位差φ[12]。将相位差φ转换为输出矩形波信号的占空比,再对此矩形波信号进行低通滤波(相当于进行积分)即可得到相位差φ值。被测值直接转换为直流电平,可以用A/D芯片直接读取。相位差φ值的读取过程如图3所示。

图3 相位差φ值的读取过程 Figure 3. Phase difference φ value reading process

相位差φ值为0 °～180 °,得到相位差φ值后,还要对φ值进行容性或感性判断(取正或取负)[13]。在感性阻抗下,电压信号超前电流信号,在容性阻抗下,电压信号滞后电流信号[14]。若判断为容性阻抗,则对φ值进行取负操作。判断方法为相位值通过一个开关控制进行两次取值,第1次为正常取值,第2次为将反射信号翻转(相当于相位移动90°)再进行取值。利用D触发器记录相位移动前后产生上升沿或者下降沿突变,如果产生突变就为容性,对φ值进行取负;如果没有产生突变就为感性,正常取φ值。电路实现如图4所示。

图4 读取相位差φ值以及判断容性感性的电路实现Figure 4. Circuit realization of reading phase difference φ value and judging capacitive or inductive

2 软硬件实现方法及模块的设计实现与测试

硬件实现设计主要由3部分构成,分别是:1)定向耦合器及衰减网络电路;2)AD8306正反向功率对数放大电路;3)相位差φ值取值以及容性感性判断电路。定向耦合器与衰减网络根据所要测量的频率以及功率大小进行确定,器件的功率承受范围需留有余量。实际的硬件模块如图5所示。

图5 硬件电路Figure 5. Hardware circuit

在软件设计上,需要在电路固定后对相位差φ值进行定标。将负载设计为开路或者短路,开路时为180 °所对应的φ值,记录A/D读取的相位差值,同理测量负载短路时的值并记录。定标完成后即可把参数固化在测量程序之中。程序实现方法如下文所示[15]。

Iinput:MagA:正向取样读取的电压值;

Iinput:MagB:反向取样读取的电压值;

Iinput:phase_degree:读取的相位值。

1:magdb=(MagA-MagB)计算出正向功率与反向功率的差值,以DB表示;

2:|Γ|=pow(10,-magdb)把差值转化成为反射系数;

3:swr=(1+|Γ|)/(1-|Γ|)利用反射系数计算驻波比;

4:|Γ|·i=|Γ|×cos(Pi×phase_degree/180) 计算出反射系数的实部;

5:|Γ|·j=|Γ|×sin(Pi×phase_degree/180) 计算出反射系数的虚部;

6:ZΓ=RΓ+jXΓ=50(1+|Γ|·i+|Γ|·j)/(1-|Γ|·i-|Γ|·j)。

利用式(8)求出被测阻抗的矢量值[16]。

经测试,在1～60 MHz范围内,矢量网络分析仪测量结果与本文的测量结果比较[17]如图6所示。其中,power为本文设计,VNA为矢量网络分析仪测量,被测矢量阻抗为1.8 m鞭天线。

图6 本文设计与网络分析仪性能比较Figure 6. Performance comparison between the proposed method and network analyzer

通过对实验验证板的测试可知,当输入信号功率达到-5 dBm时,本文验证系统所有频点测量准确且测试结果稳定。当输入信号功率在-6～-10 dBm时,部分频点测量准确,部分频点阻抗测量不准确。当输入信号功率小于-10 dBm时,所有频点阻抗测量不准确。由此可知,本文实验系统的测量信号动态范围的下限为-5 dBm。由于本文实验系统中的定向耦合器为自行绕制,故在测试中连续接入47 dBm的信号,系统可准确测量并稳定工作。当输入信号为48～50 dBm时,系统可正常测量并短时间工作。长时间工作后定向耦合器发热,当工作超15 min后,定向耦合器发热严重,同时其阻抗发生变化,信号反射增加,对发射机可能造成影响。

最终测得本文实验系统的工作动态范围为-5～47 dBm,实现了超过50 dB的测量动态范围。同时,通过测量与计算可以得出,如果合理调整定向耦合器[18],例如加大磁环尺寸、加粗绕线,测量系统有能力承受更高功率并达到更高的动态范围。利用本文测量系统方案,开发出400 W短波天线调谐器阻抗测量与监控电路以及20 W短波天线调谐器阻抗测量电路等应用,应用场景如图7所示。本文设计从20 W覆盖到400 W,充分展示了本文系统高动态范围的特点。

(a)

3 结束语

本文利用定向耦合器作为矢量阻抗测量模块的核心,具有电路简单、误差小和测量精度高的特点,且具有较高的动态范围。本文设计的实验验证板在实测中信号动态范围达到了-5～47 dBm,实现了超过50 dB的测量动态范围。通过优化模块电路,有能力实现-20～60 dBm的接近80 dB实测动态范围[19]。通过模块化的电路设计,可以使检测电路实现体积小、测试速度快以及效率高等优点。测试输出直接为数字信号,可以与控制系统终端或嵌入式终端直接相连。模块化数字输出的使用方式适用于各种天线系统的测量和调配场景[20],可独立形成一个小型化的测试系统。同时,该模块也能较好地适配各种通信设备,可以作为通信发射机的天线监测或功率强度控制部件。本文设计作为模块化部件,有效提高了通信发射机对于各种不同的使用场景的适应能力,例如机载、舰载或车载等不同的天线状况,对通信发射机的使用和维护具有重要意义。该测量模块也可以应用于简易网络分析仪、阻抗测试模块等方向,具有良好的应用与扩展性以及较高的实用价值。