射频峰值功率分析仪测量数据高速校准方法

第３４鼋筻　２００８年９月　ＣＨＩＮＡ　ＭＥＡＳＵＲＥＭＥ中国测试技术　～ＮＴ～　Ｉｎ－ＮＧ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．５　Ｓｅｐｔ．２００８　射频峰值功率分析仪测量数据高速校准方法　周玉鸿　，徐　静　（１．成都航空职业技术学院，￣ｔＪｆｌ成都６１００２１；２．中国测试技术研究院，四川成都６１００２１）　摘要：射频峰值功率分析仪通常需要配接多种不同工作频段、不同测量范围的检测探头。为了消除因配接不同种　类的探头、探头的幅度响应非线性以及频率响应而引起的测量误差，提出多分段校准方法，并以数据查找表为核　心，设计检测数据高速校准电路，根据配接探头的预置分段特性数据、当前工作频段，及时更新查找表内容，使检测　数据通过校准后，得到准确的测量值，从而改善测量精度，提高测量速度。经试验，表明校准精确，电路简单可靠，易　于实现，满足分析仪测量数据高速校准要求。　关键词：峰值功率；射频功率；查找表；数据校准；分析仪　中图分类号：ＴＮ３８５；ＴＭ９３０．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２－－４９８４（２００８）０５—００３０—０３　Ｉｔｉｇｈ－ｓｖｃｅａ　ｄａｔａ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　ＲＦ　ｐｅａｋ　ｐｏｗｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｒ　ＺＨＯＵ　Ｙｕ—ｈｏｎｇ　，ＸＵ　Ｊｉｎｇ￣　（１．Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｖｉａｔｉｏｎ　Ｃａｒｅｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００２１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｓｉｔｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｔｅｓｉｔｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００２１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＲＦ　ｐｅａＩ【ｐｏｗｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｒ　ｎｏｒｍａｌｌｙ　ｍａｔｃｈｅｓ　ｗｉｔｈ　ａ　ｖａｒｉｅｔｙ　ｏｆ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｂｅｓ　ｒａｔｉｎｇ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｂａｎｄ　ａｎｄ　ｉｎｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｒａｎｇ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｅｌｉｍｉｎａｔｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｅｒｒｏｒ　ａｒｉｓｉｎｇ　ｆｒｏｍ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｐｒ０ｂｅｓ，ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｅ，ｔｈｅ　ｍｕｌｉｔ—ｓｅｃｔｉｏｎ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｄａｔａ　ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗｉｈｔ　ｌｏｏｋ—ｕｐ　ｔａｂｌｅ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｅｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｐｒｏｂｅ　ａｎｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．ｔｈｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｉｎ　ｌｏｏｋ—ｕｐ　ｔａｂｌｅ　ｉｓ　ｕｐｄａｔｄｅ　ｉｎ　ｉｔｍｅ．Ｂｙ　ｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔａｂｌｅ，ｔｅｓｔｉｎｇ　ｄａｔａ　ｂｅｃｏｍｅ　ａｎ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｍ　ｖａｌｕｅ。ＳＯ　ｔｌｌｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｓｐｅｅｄ　ａｒｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｅａｓｙ　ｔｏ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ，　ｎａｄ　Ｃａｌｌ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｄａｔａ　ｈｉｓｈ—ｓｐｅｅｄ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＰｅａＪ【ｐｏｗｅｒ；ＲＦ　ｐｏｗｅｒ；Ｌｏｏｋ—ｕｐ　ｔａｂｌｅ；Ｄａｔａ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ；Ａｎａｌｙｚｅｒ　１　引　言　方式，根据被检测信号频率、峰值功率高低，有多种　雷达测控技术已在目标探测、测距、测高、测　探头可供选择，通过更换检测探头，能覆盖极宽的　速、安全管理调度、目标识别、应答等领域广泛应　频率范围，在低频段选用对数解调型检测探头，而在　用，随着技术进步发展，应用领域也不断扩展，所采　高频、微波频段选用检波管探头。　用雷达脉冲波序列串也变得更加复杂：不仅仅搭载　但是，探头因采用的检测方案不同、工作频段　简单的距离信息，还有速度信息、数字编码信息等　不同、所用器件特性离散、工作温度变化等原因，造　等。这些变化要求检测雷达脉冲波的峰值功率、脉　成幅度响应、频率响应特性差异很大；即使是同一　冲宽度、脉冲间隔、脉冲包络波形、上升下降时间等　个探头，在电平高低端幅度响应特性也不同，加之　等瞬态指标参数，促使新型功率测量仪器一射频微　存在频率响应不平坦性，幅度响应更加复杂。要做　波峰值功率分析仪产生，用以高速、准确捕获脉冲　到能方便地选用、更换探头，必须对检测数据进行　包络，提取、显示测量波形，分析测量参数。　恰当的校准，使所有可配接的探头具有“归一化”的　峰值功率分析仪采用主机配检测探头的结构　一致特性：幅度响应线性、频响平坦、无温度影响。　收稿日期：２００８－０４—０７；收到修改稿日期：２００８—０６—２１　２射频峰值功率检测及校准　作者简介：周玉鸿（１９６８一），女，甘肃天水市人，讲师，主要从　２．１　射频峰值功率分析仪检测通道　事电子应用技术教学、研究。　峰值功率分析仪检测通道分为几个环节：检测　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３４卷第５期　周玉鸿等：射频峰值功率分析仪测量数据高速校准方法　３１　探头、信号调理与Ａ／Ｄ变换、接收存储、计算显示，　接收、存储部分连续监测输入的已经数字化的　脉冲波形依次经过各个环节，波形及数据显示到分　瞬时功率，根据设定的触发条件（类似数字存储示　析仪屏幕。　波器，设有电平触发、沿变触发、脉宽触发等）和时　检测探头完成瞬态功率检测，因待检对象是高　基，捕获、存储一段连续变化的数据，用以描绘出脉　速脉冲波，在测量过程中不可能切换衰减器或者改　冲包络波形。　变量程，必须保持全动态工作，要求探头响应速度　计算显示部分调出捕获的波形数据，依据设定　高、动态范围大，输出电压应与输入功率的对数成　的显示分辨率、偏移量、时基要求，在显示屏幕上画　线性关系，对应宽带应用，可选择检波管方式，但因　出脉冲波形，解析脉冲峰值功率及脉冲时间参数。　检波管具有平方律检波特性，应配接输出线性校准、　２．２检测数据校准方法　对数变换电路等；对应较低频带应用，可选择直接对　检测数据在传递过程的任意环节，均可以实施　数解调电路，如ＡＤ公司提供的ＡＤ８３０７、ＡＤ８３１３、　校准，对应方法有：　ＡＤ８３１８等，可直接输出对数功率电压。图１示出两　（１）在探头输出或者信号调理部分，增设校准电　种试验探头在同样频率１０　ＭＨｚ连续波的幅度响应　路。经验告诉我们，这种方法处理速度极快，但是调试　特性曲线：检波型探头（对数变换后未加线性校准　非常困难，而且一致性差，缺乏灵活性。如果将校准电　电路）低电平时受灵敏度限制，高电平时脱离平方　路与探头结合在一起，每个探头附加一个校准电路，　律检波，输出响应高低端变化很大；对数解调型探　会增加探头成本、体积、功耗，加重温度影响，并且如　头输出较为平直，动态范围远大于检波型探头。　需修正响应特性时，可能需要反复调整、检测，费时、　费力；如果将校准电路与信号调理电路结合在一起，　－十。－嚣汁专一车：蹲Ｈ…　：Ｅ　叫’。　■…摄１　…■１宴…　・　所有探头共用—个校准电路，设计难度更大。　（２）在计算显示时进行数字计算校准。在探头　ｌ＿一：秘十‘　一　十＋－～－　≥　……　０－ｊ　‘・　０一　．｛…　…一　－…｛…｛十…・　内植入ＥＥＰＲＯＭ存储芯片，在探头校准标定时，录　入探头在不同频点的幅度响应数据：偏移量尸０，斜　攀每　率Ｋ；当连接探头后，响应数据调入分析仪中，根据　工作频率，选取其中的一组使用；当测得输人为　，　一６０—５０—４ｏ一３０　—２０—１０　０　＋１０　输人功率（ｄＢｍ）　按线性校准公式　＝Ｐ０　・Ｖ　计算，得到经校准的　功率值　，如图２所示。这一方法是全动态范围的　图１检测探头幅度响应特性　校准，Ｐ０、Ｋ一般选在线性响应区间，难以兼顾高、低　为便于探头更换，使各类型所有探头输出限定　两端，校准效果较差。对于输出线性较好的基于对　在０　Ｖ￣２．０　Ｖ范围内，对应于绝对功率一８０．０ｄＢｍ～　数解调型探头很适合，但因高低端校准误差太大，限　＋２０．ＯｄＢｍ范围内一段连续区域，如图ｌ中检波型　制了精确检测范围，而对于基于平方律特性检波管　探头输出０．２　Ｖ～１．９　Ｖ，相应功率检测为一５０ｄＢｍ－　的探头效果较差，附加线性校准电路后，有所改善。　＋１５ｄＢｍ。　若采用多个分段标定，校准精度会大幅提高：　信号调理与Ａ／Ｄ变换电路，接收探头送至的电　将输人范围划为连续的多个小区段，记录已知的校　压信号，经缓冲驱动至高速模数转　换器，变换为数字信号发送去接收　●＇＿－　存储部分。脉冲功率瞬态测量要求　－－－－－　／　●－－－●　高速、高动态范围，分辨率要求可　匪直缬　多＆枝　Ｉ线ｉ　●●－●－　降低些，可选用ｌ２位以上，大于　－●●●－　“　。　５０ＭＳＰＳ的转换器件，如ＡＤ９２３６　（１２Ｂｉｔ、６５ＭＳＰＳ），ＡＤ９Ａ，ＡＡ．（１４Ｂｉｔ、　／　８０ＭＳＰＳ），若动态范围为６０ｄＢ，选　Ｉ头响　应曲　Ｅ　　．用１２Ｂｉｔ转换器时，分辨率约　０．Ｏ１５ｄＢ，选用１４Ｂｉｔ转换器时，分　辨率提高至０．００４ｄＢ。　图２单直线校准法　图３多分段校准法　维普资讯 http://www.cqvip.com ３２　中国测试技术　２００８年９月　准输入功率只对应的检测值　，构成连　续的输入—．输出表格，对于测得值　，查ｆＪｔ２ｔ位ｍｌｔｔＷ，人功’‘　＾Ｄｃ）　（ｄ丑ｌｍ）　找到所属分段（　，　，，件　），对应输人功率为　Ｐｉ１１　＿●———一　——————　Ｐｍ、尸　。，再按公式：　连接　■人功车　处理器　＝尸ｍ＋（（尸ｍ＋。一Ｐｍ）／（Ｖ　¨一　））　（ｄＢｍ）　ＰｉＩＩ　・（　—　）　●●—————一　・．￣　ｒ－－・　Ｖ　∈［　，　＋１）　校准，如图３所示。当分段间隔达到ｌｄＢｍ　图４　１２位查找表　图５双端口ＲＡＭ构建查找表　时，校准后测量精度可接近标定精度，并能　消除响应非线性变化。采用分段标定校准法，能够　灵活解决不同探头的配接问题，及探头频响变化；　当探头需调试、标定时，重新录入标定数据即可。但　是，每个数据校准过程中需首先搜查到所属的“校　图６峰值功率分析仪检测通道优化设计　准分段”，然后才能计算，运算量大大增加，影响测　量速度，而且查找过程耗时不确定（因查找算法不　据，记录输人功率、对应ＡＤＣ转换数据（由于校准　同变化很大），造成测量速度不稳定。　时使用的信号源输出，很难保证大动态范围、宽频　如果先计算出每个检测变化所对应的校准功　率变化时准确，因此，记录输入功率时可加以修正，　率值，形成一个以检测输入为地址的查找表Ｐａｄｉ，　提高校准精度）。模数转换器选用１２位ＡＤ９２３６，采　共包含２　个校准值（Ｎ为ＡＩＤ转换器位数），进入　样时钟固定为５０　ＭＨｚ，高速查找表选用内嵌２６个　测量过程中，输人检测数据不需计算，而是作为地　Ｍ４Ｋ存储模块的ＦＰＧＡ芯片Ｃｙｃｌｏｎｅ　ＩＩ　ＥＰ２Ｃ５Ｔ１４４　址直接查找，立即可得到校准值，　＝ＰⅡ　［　，将大　实现，输出１６位定点小数，含８位小数位，表示分　辨率１／２５６￣０．００４，范围￣１２７ｄＢｍ，满足分析仪检测　大加快处理速度。这样，校准计算只在准备查找表　时进行一次“完全”运算，之后不再计算，运算量很　数据校准精度、速度要求。　小，可以考虑采用比线性校准更加精密的校准算　３　结束语　法。当采用１２Ｂｉｔ转换器时，每个通道查找表只需要　使用多线段逼近功率探头幅度响应曲线，能大　４０９６个单元，如图４所示；当采用１４Ｂｉｔ转换器时，　幅提高测量精度，并使不同类型、不同频带、动态范　每个通道查找表只需要１６３８４个单元，这对于处理　围的探头“归一化”，使分析仪能方便配接多种探头，　器而言是很小的硬件开销，但对每一个数据校准　满足更宽测量要求。配置校准数据查找表电路后，　时，仍需进行地址运算，影响高速测量。　数据校准速度与模数转换器相配，大大提高峰值功　（３）上述校准数据查找表可以由双端口ＲＡＭ　率分析仪测量速度，从而提高瞬态检测性能。检测　完成，如图５所示：一路端口的地址接ＡＤＣ输出，　探头虽然属宽带器件，但频响变化不能忽视，测量　读出所选中单元存储的校准功率值，送至检测数据　时必须设置正确的工作频率，以调取相应检测特性　参数；如设置不当，会引起较大误差，这在使用中颇　接收、存储环节，另一路端口接处理器，由处理器写　入校准查找表数据，并能随时修改更换。查找表从　为不便，需进一步研究改进。　参考文献　处理器移出，由硬件电路查找校准数据，速度等于　【１】汤世贤．微波测量【Ｍ】．北京：国防工业出版社，１９９１．　转换器采样率，可在数据接收、存储之前实现探头　［２］董树义．微波测量技术［Ｍ】．北京：北京理工大学出版社，　“归一化”，并解除处理器因校准计算而增加的开销，　１９９０．　进一步提高测量速度。查找表由处理器维护、管理，　【３】胡晓鹏．浅析微波脉冲峰值功率测量【Ｊ】．计量与测试技　保证与探头匹配。　术，２００１，２８（４）：２６—２８．　２．３检测数据校准实现　【４】阮军．新型射频功率测量综述【Ｊ】．通信与电子测试，　综合以上分析，重新优化设计分析仪检测通道，　２００１（１）：２５—２７．　如图６所示。探头内置串行接口ＥＥＰＲＯＭ存储芯　【５］林海士，陈建辉，侯雷．基于ＭＣＳ一５１单片机的微波脉　片２４ＬＣ２５６，记录探头描述信息、工作频率范围、ｌ６　冲功率测试系统【Ｊ】．仪表技术，２００５（３）：３６－３７．　【６】司朝良．基于ＡＤ８３６２的射频功率计设计【Ｊ］．国外电子元　个频点的分段标定数据一每个频点１２８对校准数　器件，２００３（１１）：２５—２７．