多路射頻信號(hào)相位差現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要:設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了四路射頻信號(hào)相位差測(cè)量系統(tǒng)，采用模擬乘法器芯片AD8302測(cè)量二路射頻信號(hào)的相位差。設(shè)計(jì)了特殊的電路，將基于AD8302的相位差測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍從180°擴(kuò)展到360°。采用基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相位差的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。該系統(tǒng)的相位差測(cè)量范圍為0°~360°，相位差測(cè)量精度為0.1°，誤差約為±1°。該系統(tǒng)工作頻帶寬、電路簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，可用于需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量多路射頻信號(hào)間的相位差的場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞:相位差;射頻信號(hào);AD8302;CAN總線

中圖分類(lèi)號(hào):TN874文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)01-129-03

Design and Implementation of System Detecting Phase

Difference of Multi-channels RF Signal on the Spot

ZHENG Shiwei，ZHENG Longgen，ZHAI Qi，MENG Qinghui

(College of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan，430033，China)

Abstract:A phase difference detecting system up to four signal channels is designed and implemented.It is based on analogue multiplier chip AD8302 to measure the phase difference of two channels of RF signals.A specific circuit is devised to enlarge the measuring range from 180°to 360°and the measuring course on the spot is achieved by a data gathering system based on CAN buses.This system has a wide spectrum of working frequency，with phase difference range between 0°~360°，precision about 0.1°and error about ±1°.Its circuit structure is simple，can be easily manufactured and can be applied in cases where the phase differences of several channels of RF signals at a distance are required to be detected.

Keywords:phase difference;RF signal;AD8302;CAN Bus

0 引 言

在實(shí)際工作中，經(jīng)常需要測(cè)量出兩路射頻信號(hào)間的相位差，在有些情況下還需要測(cè)量出多路射頻信號(hào)之間互相的相位差。比如，在相控陣天線系統(tǒng)中，有時(shí)就需要一個(gè)相位差測(cè)量系統(tǒng)，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)天線陣列中各副天線上射頻信號(hào)的相位差信息，從而據(jù)此判斷天線陣列是否工作在設(shè)定的狀態(tài)，以便在必要時(shí)對(duì)天線陣列上加載的射頻信號(hào)的相位進(jìn)行調(diào)整。

射頻信號(hào)間的相位差的測(cè)量在實(shí)驗(yàn)室中可以使用示波器或網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)完成。如果使用數(shù)字示波器，可以選擇相位差測(cè)量功能直接讀出兩路信號(hào)的相位差。使用模擬示波器時(shí)，可以采用李沙育圖形法(Lissajous Patters)或Z-MOD法測(cè)量相位差[1，2]。網(wǎng)絡(luò)分析儀只能離線測(cè)量一個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)如一段電纜相對(duì)于參考電纜的相移量。測(cè)量時(shí)先用參考電纜校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀，然后測(cè)量待測(cè)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)參考電纜的相移特性。雖然示波器或網(wǎng)絡(luò)分析儀在測(cè)量相位差時(shí)可以達(dá)到較高的精度，操作上也不太復(fù)雜，但是卻并不適合用來(lái)進(jìn)行多路射頻信號(hào)相位差的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量。

本文設(shè)計(jì)了一種多路射頻信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)相位差測(cè)量系統(tǒng)，用于在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量出多路射頻信號(hào)之間的相位差。該系統(tǒng)采用模擬乘法器芯片AD8302測(cè)量相位差[3，4]，在數(shù)據(jù)傳輸中采用CAN總線技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)相位差的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量[5]，而且測(cè)量精度高，工作頻帶寬，電路也較為簡(jiǎn)單。本文以測(cè)量四路射頻信號(hào)的相位差為例進(jìn)行說(shuō)明。

1 系統(tǒng)組成及各部分實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)組成

多路射頻信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)相位差測(cè)量系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)部分和終端部分兩大部分組成，中間由傳輸介質(zhì)將兩部分連接起來(lái)。其中現(xiàn)場(chǎng)部分包含信號(hào)的前期處理、相位差測(cè)量電路和CAN總線智能模塊，終端部分則是一臺(tái)安裝了CAN總線通訊板的終端計(jì)算機(jī)，CAN總線的通信媒質(zhì)為雙絞線[6]。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

信號(hào)流程如下:待測(cè)的四路射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)提取和衰減等前期處理，變成可以進(jìn)行比較運(yùn)算的信號(hào)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)相位差測(cè)量電路的比較，得到與相位差相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，由CAN總線智能模塊進(jìn)行模擬量的數(shù)據(jù)采集，經(jīng)雙絞線傳送至終端部分，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，得到相位差的數(shù)值。其中，信號(hào)的提取部分可以采用定向耦合器等來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃p，衰減量主要是依據(jù)相位差測(cè)量電路的輸入范圍來(lái)決定。

1.2 相位測(cè)量電路

在相位差測(cè)量電路中，相位差的測(cè)量是由AD8302來(lái)完成的。AD8302是美國(guó)ADI公司推出的用于RF/IF幅度和相位測(cè)量的單片集成電路，它利用對(duì)數(shù)放大器具有對(duì)數(shù)壓縮功能的原理，通過(guò)精密匹配的兩個(gè)寬帶對(duì)數(shù)檢波器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩輸入通道信號(hào)的相位差測(cè)量，其內(nèi)部包含兩個(gè)精密匹配的寬帶對(duì)數(shù)放大器、一個(gè)寬帶相位檢測(cè)器、1.8 V精密基準(zhǔn)源，以及模擬標(biāo)定電路和接口電路，能夠同時(shí)測(cè)量從低頻到2.7 GHz頻率范圍內(nèi)兩個(gè)輸入信號(hào)之間的增益和相位差[7，8]。

AD8302測(cè)量相位差的范圍是0°~180°，所對(duì)應(yīng)的輸出電壓范圍為30 mV~1.8 V，輸出電壓靈敏度為10 mV /(°)，測(cè)量誤差小于0.5°。當(dāng)相位差ΔΦ=0°時(shí)，輸出電壓為1.8 V;當(dāng)ΔΦ=180°時(shí)，輸出電壓為30 mV，輸出電流為8 mA。與相位差對(duì)應(yīng)的輸出電壓VPHS的響應(yīng)方程為VPHS=VΦ[Φ(VINA)-Φ(VINB)]，其中Φ(VINA)為A通道的輸入信號(hào)初相位，Φ(VINB)為B通道的輸入信號(hào)初相位，VΦ為斜率[7]。在默認(rèn)測(cè)量模式下，相位差的理想響應(yīng)特性曲線如圖2所示。

圖2 相位差響應(yīng)曲線

AD8302在測(cè)量時(shí)具有180°的相位差范圍。該相位差范圍既可以是0°~+180°(以90° 為中心)，也可以是0°~-180°(以-90°為中心)。根據(jù)AD8302的相位差響應(yīng)特性曲線在0°~-180°和在0°~+180°時(shí)的斜率不同，即可判定兩個(gè)被測(cè)信號(hào)的相位差為正還是負(fù)。但是，AD8302的實(shí)際輸出在相位差為180°時(shí)并不是0 V，而是30 mV，在180°附近時(shí)會(huì)有比較大的誤差，所以應(yīng)當(dāng)避免這種情況的出現(xiàn)。

1.3 相位差測(cè)量范圍的擴(kuò)展

信號(hào)間的相位差可能的取值是0°~360°，但是，如上所述，單用一片AD8302無(wú)法區(qū)分出相位差是取0°~180°還是180°~360°的。如圖3所示，通過(guò)使用兩片AD8302，人為引入一個(gè)能夠表征斜率的量，就可以得出相位差的具體范圍，即對(duì)相位差的測(cè)量范圍進(jìn)行了擴(kuò)展。A、B兩路信號(hào)各自經(jīng)過(guò)功率分配器進(jìn)行一分二的處理，除B1外另外三路信號(hào)連接到芯片AD8302的電纜長(zhǎng)度相等，B1至芯片的電纜長(zhǎng)度比另外三根長(zhǎng)，這樣引入一段延遲。兩片芯片AD8302進(jìn)行相位差測(cè)量運(yùn)算，得到1、2兩個(gè)輸出結(jié)果，其中輸出2對(duì)應(yīng)信號(hào)A與信號(hào)B的相位差，即Φ(VINA)-Φ(VINB)，輸出1對(duì)應(yīng)信號(hào)A與信號(hào)B經(jīng)過(guò)延遲后的信號(hào)的相位差，即Φ(VINA)-[Φ(VINB)+Φ′]，于是輸出1對(duì)應(yīng)的相位差應(yīng)該比輸出2對(duì)應(yīng)的相位差小一個(gè)預(yù)定的值，只要通過(guò)調(diào)整延遲線的長(zhǎng)度，使在工作頻率處的延遲在90°以內(nèi)，就可以根據(jù)實(shí)際得到的結(jié)果，找出兩者在相位差響應(yīng)曲線上的位置，而不致產(chǎn)生不確定性。按照輸出1對(duì)應(yīng)的相位差比輸出2小的原則，就可以判斷出A和B的相位差是小于180°還是大于180°了。

圖3 用兩片AD8302測(cè)相位差

由于要測(cè)量四路射頻信號(hào)間的相位差，可以選定其中一路為參考信號(hào)，另外三路都與之進(jìn)行比較。由于每路信號(hào)都要進(jìn)行一分二的處理，因此被選為參考的信號(hào)要分為六路，才能與另外三副天線上的信號(hào)進(jìn)行比較。功分器部分要保證不引入新的相位差，因此對(duì)每一路信號(hào)都必須進(jìn)行同樣的分配。分配方案框圖如圖4所示。其中功分器的未使用端要端接50 Ω的匹配負(fù)載。

為了在判斷結(jié)果時(shí)不至出現(xiàn)前面所述的在180°附近誤差較大的情況，可以通過(guò)正確地選擇延遲線的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，在圖4中，當(dāng)信號(hào)1與2的相位差剛好為180°時(shí)，A的輸出電壓為30 mV，30 mV對(duì)應(yīng)的相位差為177°和183°，與結(jié)果相差較大，而在這一頻率上延遲線引入的相位差為50°(這一點(diǎn)可以通過(guò)另外兩路不在180°的射頻信號(hào)比較中得出，如C與D或E與F的差值)，那么就可以通過(guò)B的輸出為130°而得到正確的結(jié)論。因此，延遲線的長(zhǎng)度要保證在信號(hào)的整個(gè)工作頻段內(nèi)都大于6°，但不至于達(dá)到90°，比如在短波波段，可以選擇長(zhǎng)度為2.0 m左右，這一長(zhǎng)度在3 MHz時(shí)對(duì)應(yīng)7.2°左右延遲，在30 MHz時(shí)為72°左右延遲。

圖4 信號(hào)的功率分配圖示

1.4 鑒相結(jié)果的采集與傳送

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行相位差測(cè)量后得到的是一組模擬電壓信號(hào)，幅度為30 mV~1.8 V，無(wú)法直接進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，采用CAN總線方式傳輸。CAN(Controller Area Network)總線是全數(shù)字式現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備互連總線，能有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，是目前應(yīng)用很廣泛的一種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，已經(jīng)有了很成熟的產(chǎn)品系列可以供選擇使用。CAN總線的通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，通信速率可達(dá)1 Mb/s，通信距離可以達(dá)到10 km[5，6]。

在現(xiàn)場(chǎng)采用CAN總線的模擬量采集模塊將數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后通過(guò)雙絞線傳送到機(jī)房，在裝有CAN通信模塊的終端機(jī)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最終的轉(zhuǎn)化和處理，即可得到最終的結(jié)果。

2 測(cè)量精度與誤差分析

從上面的設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)看，本相位差測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量誤差主要來(lái)自于AD8302的測(cè)量過(guò)程和CAN總線的傳輸過(guò)程[9]。采用AD8302測(cè)量相位差時(shí)，精確相位測(cè)

量比例系數(shù)為10 mV/(°)，精確典型值小于1°，測(cè)量過(guò)程引入的誤差[7，10]為±0.5°，CAN總線智能模塊輸入精度引入的誤差為±0.5°，總誤差為±1.0°。雖然芯片AD8302的輸出最小電壓(在180°時(shí))不是0，而是30 mV，即對(duì)應(yīng)相位差為3°，可見(jiàn)相位差在180°及其附近3°范圍內(nèi)時(shí)誤差較大可以達(dá)到±4°。這是由于AD8302自身輸出特性造成的。但是，如前所述，在對(duì)相位差測(cè)量范圍進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，通過(guò)引入的延遲線的參考作用，對(duì)測(cè)量結(jié)果仍能做出準(zhǔn)確的判斷，只要延遲線的誤差較小，則總誤差仍然可以控制在±1.0°附近，而不會(huì)是±4°。

3 結(jié) 語(yǔ)

采用上述方法設(shè)計(jì)制作的多路射頻信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)相位差測(cè)量系統(tǒng)，可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量多路射頻信號(hào)相位差。由于系統(tǒng)的工作頻帶主要取決于芯片AD8302，而AD8302的工作頻帶可以從直流到2.7 GHz，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整延遲線的長(zhǎng)度，可以測(cè)量的射頻信號(hào)的頻率范圍可以達(dá)到很寬，而且相位差測(cè)量精度可達(dá)到0.1°，測(cè)量誤差為±1°，電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

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