便携式功率分析仪设计----概述与总体设计

1.1概述

功率是器件性能中的关键指标，尤其对于射频信号，功率是其信号特征的一个重要参数。随着现在移动通信技术的发展，对信号功率进行精确测量已成为通信测量中的关键环节。在直流或低频时，常常通过测量负载上的电压U、电流I和它们之间的相位角φ来代替直接测量功率P＝UIcosφ。在超高频和微波频段，因为信号存在不同的电磁模式，电压和电流失去唯一性，所以在获取信号特征时采用直接功率测量代替电压和电流的测量。在雷达、塔台导航、敌我识别以及数字通信和数据信息传输等系统中，由于大量使用脉冲调制的射频和微波信号，射频脉冲的峰值功率的测量在保障系统可靠性和监控输出信号特性等方面起着至关重要的作用。

频率/功率计已成为目前国际上最通用的电子测量仪器之一，在军事，科研生产及大型设备的维护中具有十分重要的作用。由于频率/功率计功能全，结构复杂，技术要求高，价格大多十分昂贵。技术先进的工业国家都十分重视频率/功率计的研究。因此，加强频率/功率计的开发与生产，为我国测试仪器的发展，打破国外产品在市场上的垄断地位，具有很大的现实意义。另外，频率/功率计也是一种普及型通用测试仪器，市场潜力大，该产品的研制和生产将产生重大的经济效益。从目前的情况来看，在射频功率计上处于领先地位的是美国的Agilent公司。Agilent E4416A为台式单通道功率计，通过搭载不同的功率探头，它的测量频段可以达到100kHz～110GHz，测量功率范围可达-70～+20dBm，实现可选择分辨率0.1和0.01（在对数方式下）或满刻度的1%或0.01%（在线性方式下）。国内的一些科研单位也从事了功率计的研究，并且取得了一定的成绩。但是由于在设计与生产工艺上的不足，使得国内产品尚不能与高性能无线通信测试系统配套。

同时，便携式智能仪器是现代计量测试仪器的重要发展方向。便携式智能仪器主要应用于生产、科研现场，必须具有测量速度快、可靠性高、操作简单、功耗低、小巧轻便等特点。便携式智能仪器遵循低功耗、低成本、高可靠性的设计原则，发展趋势有其自身特点。引入低功耗单片机后，便携式仪器的信息处理能力大大增强，仪器性能跃上了一个新台阶。利用单片机，便携式智能仪器可以进行自动稳零、温度补偿、基准值设定、参数存储、数值计算等软件处理，提高测量准确性和仪器的智能功能。

由于采用了单片机，便携式仪器的功能增强，可以以数字量的形式输出测量信息。今后的便携式智能仪器不仅可以作为现场仪器单独使用，还可以作为智能传感器与上位机连接，成为智能测试系统的分机。近年来，各种便携式电子产品发展迅猛，特别是手持式计算机、移动通信装置、视频或音频产品、照相机、医疗仪器及测试仪器等发展更为神速。便携式仪器正是以它便于携带，造价低廉，使用方便的特点被手机通讯、雷达测试、医疗急救、工程检测等户外工作场所广泛采用。

因此本次设计正是应于这个现实需要，设计出便于在基站、手机和蜂窝基础设施等室外工作环境中检测使用的，具有对射频脉冲信号峰值功率测量和分析功能的便携式功率分析仪。

1.2课题内容及技术指标

本文主要介绍和研究便携式峰值功率分析仪的硬件，软件设计以及实现。

性能指标要求：

• 输入载波频率的范围：10MHz~6GHz
• 功率输入检测范围：-57～+23dBm
• 峰值功率检测精度：±1dB
• 最大允许功率：+30 dBm
• 发射频率检测精度：≤±1KHz
• 最小脉冲检测宽度：0.4us
• 工作温度：0～50℃
• 存储温度：－20～85℃

1.3本文的主要内容安排

本文主要研究便携式功率分析仪设计，论文内容主要包括：

• 现代测量系统中，常见功率测量方法及其现状和发展；
• 系统设计与总结方案；
• 射频脉冲信号功率测量原理，功率测量模块硬件设计，频率测量模块硬件设计以及便携式电源部分设计；
• 系统软件设计方案，软件算法实现，液晶显示控制与键盘控制，PC机辅助调试部分的软件设计与实现；
• 系统的调试与校准；
• 系统精度验证；
• 结论与建议。

第二章便携式功率分析仪总体设计

2.1便携式功率分析仪的功能要求

便携式功率分析仪是一个能够对被测设备功率输出情况进行显示和分析的手持式功率测量仪器。设计的系统主要实现的功能是：

第一，对被测产品的射频脉冲峰值功率或者连续波平均功率进行实时测量和实时修正；为整机提供功率测量数据；

第二，能够对被测产品的射频载波频率测量，为整机提供频响校准的频率参数；

第三，具有示波功能，能将经检波的输出信号波形、幅值、载波频率等信息显示于本仪器的液晶屏幕；第四，具有独立的数据处理，显示以及键盘控制功能，具有独立供电系统，不依赖于外部设备。具有能手持的特点；

第五，具有能与PC机通讯的能力。

2.2便携式功率分析仪的技术指标分析

本设计主要针对于窄脉冲的峰值功率的测量，本课题功率测量方法采用的是峰值检波法，同时测量载波频率，利用频率测量结果对功率测量进行校准。

1）功率测量部分，设计要求是对射频脉冲宽度为0.4us脉冲信号功率进行测量。

由于功率测量方法选用峰值检波测量法，这就要求峰值检波器要有足够快的响应速度。设计选用的AD8318拥有8ns的响应速度，能够满足对0.4us脉冲信号的检波需要。信号经过检波器检波，如果输入信号是连续波，则检波后的信号为直流，可以直接将信号送入A/D转换器进行采样。当输入信号是脉冲调制信号，检波后的信号是脉冲信号。通过设置触发电平来捕获信号的峰值，得到信号的峰值功率。

2）系统设计功率测量范围应满足最小射频功率为-57dBm，最大射频功率为+23dBm的基本要求。

根据系统设计要求，选用芯片AD8318其动态输入功率范围-60～0dBm，并参照当前安捷伦、吉时利等各公司的成熟产品，要求小功率测量仪器应具有测量大于0dBm功率信号的能力，所以通过加入可控功率衰减器达到理想功率测量范围为-57～+23dBm.

3）系统要求载波频率输入范围为10MHz～6GHz，频率测量精度≤±1KHz.

由于频率是影响信号的关键因素。不同的频段下功率值相差较大。为了补偿频率带来的功率影响，在程序中加入了功率频响校准。功率的频响补偿需要获得信号的频率值。所以在频率测量部分，将最高达到6GHz的载波信号通过1：128或更高的分频比进行预分频，将其降频为46.875MHz或更低频率信号送入FPGA中的频率计数器进行频率测量，频率计数方法选用多周期同步测频法提高测频精度。

4）峰值功率检测精度要求±1dB.

由于AD8318在1MHz～5.8GHz范围内拥有优于±1dB的功率测量精度，设计中功率信号传递路径上，因系统设计需要加入功率衰减器等功率损耗模块，所以理想功率测量精度能够达到±1dB.

5）功率探头最大允许功率为+30 dBm.

功率范围是保证测量精度的可测功率最大值和最小值范围。最大允许功率是探头不被损坏的最大输入功率值，使用功率计时绝对不能测量大于允许功率值的信号，否则会造成功率探头烧毁。设计选用的AD8318最大输入功率为12dBm，以及探头的衰减模块能够提供-20dB的功率衰减，本设计功率分析仪最大允许功率可以达到+30dBm.

2.3系统构成设计

功率计由功率传感器和功率指示器两部分组成。功率传感器也称功率计探头，它把高频电信号通过能量转换为可以直接检测的电信号。功率指示器包括信号放大、变换和显示器。显示器直接显示功率值。功率传感器和功率指示器之间用电缆连接。为了适应不同频率、不同功率电平和不同传输线结构的需要，一台功率计要配若干个不同功能的功率计探头。

本课题设计的功率分析仪硬件设计分为功率探头设计和主机设计，按功能则分为功率测量模块、频率测量模块和电源模块三大部分。

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主要部分硬件框图如图2-1所示。探头部分主要进行微波信号的处理，通过功分器后的两路输出，经过检波或者预分频，将射频微波信号转换为中高频信号，送入主机。主机的主要进行系统控制和数据处理，包括计数电路、A/D转换电路、FIFO、整形电路、线性放大电路和触发电路、ARM单片机LPC2138等组成。其中计数、FIFO缓存、触发电路和控制电路在FPGA中实现，LPC2138主要完成对FPGA控制，对液晶屏、键盘等外部设备的控制以及外部通讯功能。作为便携式仪器必须具有独立的供电系统，电源采用7.2V电池供电，探头部分通过与主机的连接线与电源连接。

2.4便携式峰值功率分析仪关键技术分析

衡量功率计性能的技术指标主要有：功率范围，最大允许功率，频率范围，测量精度，稳定性，响应时间等。依据技术指标的要求，我们在设计中主要从以下几个方面入手：

• 实现对最小0.4us宽度，功率输入在-57～+23dBm范围内的射频脉冲信号功率的较高精度的测量以及显示。
  功率测量中，通过加入功率衰减网络扩展功率测量范围，然而功率测量精度同样至关重要，功率衰减网络的衰减精度、温度、插入损耗以及功率检波器的检波精度都是影响功率测量精度的主要环节，同时由于功率测量结果是通过对微波检波输出进行A/D采样，并将得到的采样数据进行软件处理计算得到的，所以A/D采样质量的优劣同样十分关键。由于便携式仪器工作温度变化比较复杂，所以功率测量部分设计选用模块均以温度稳定性好作为设计选材的重要依据。故在设计中我们选用开关固定衰减器做20dB的功率衰减；选用能提供较快的速度、较高精确度和较好温度稳定性的AD8318；选用250msps的高速ADC模数转换器AD9480确保能够对0.4us的脉冲信号包络数据进行准确捕获。
   
• 实现10MHz～6GHz范围内载波频率的精确测量。
  由于本设计功率分析仪主要针对射频级信号进行功率测量，射频级信号的高频率就对频率测量范围提出了比较高的要求。鉴于被测信号频率可以达到3GHz以上，普通高分频比的微波分频器无法满足要求，所以在设计中采用两个分频模块组成分频器链路，先通过固定分频器将信号频率降低至3GHz以下，再使用射频分频器对被测频率信号进行诸如1：128等高比例的分频，从而扩展频率测量范围。同时高比例分频也造成频率测量的精度下降。所以实际设计中采用可变分频比和修改频率计数模块计数时长等方法结合起来，提高频率测量精度。
   
• 实现对射频脉冲峰值功率测量结果的实时修正。
  由于设计目的是实现制作出便携式的功率分析仪，所以在功率校准部分，在设计中分为功率测量校准、频率测量校准、功率频响校准等多重校准操作，利用校准功率计进行功率校准，制作校准表，存入FLASH中实现便携式功率分析仪的自校准功能。
   
• 实现测量数据的独立处理能力，人机交互以及与PC机通讯能力。
  作为便携式测量仪器，已经脱离了模块式设计对PC机的依赖，便携式仪器必须拥有独立的微处理器，用以对采集数据进行计算处理，利用外接液晶显示屏和键盘等输入输出部件，实现用户对测量结果的自主分析。本设计中采用LPC2138作为系统的控制核心处理器，通过程序设计实现数据处理，显示以及输入输出控制功能。同时提供USB接口与PC机通讯。