基于AD8302的相位差測(cè)量系統(tǒng)的改進(jìn)和設(shè)計(jì)

摘要：介紹了AD8302幅相檢測(cè)芯片的功能和應(yīng)用局限性，提出一種電路結(jié)構(gòu)，引入90°電橋和功分器電路，使該芯片的檢測(cè)相位差的范圍從0°～180°擴(kuò)大到0°～360°。并軟件設(shè)計(jì)了PCB版圖和腔體，并進(jìn)行了加工和測(cè)試。證明該電路結(jié)構(gòu)可以精確地測(cè)試兩路信號(hào)的相位差，測(cè)試范圍為0°～360°，工作范圍為500～2700MHz。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw. com.cn/article/203222.htm

關(guān)鍵詞：AD8302；相位差；90°電橋；功分

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.1.007

引言

在實(shí)際的雷達(dá)裝備性能測(cè)試中，經(jīng)常會(huì)遇到需要檢測(cè)兩個(gè)信號(hào)之間的相位差的問(wèn)題，以此來(lái)獲得一些雷達(dá)信號(hào)的頻率、方位等特性。在研究網(wǎng)絡(luò)相頻特性中，這也是不可缺少的重要方面。因此在某些領(lǐng)域精確地測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)之間的相位差具有重要的意義，比如在比相法測(cè)向中。

美國(guó)ADI推出的AD8302型相位檢測(cè)芯片。該芯片能精確測(cè)量2個(gè)獨(dú)立的射頻（RF）、中頻（IF）或低頻信號(hào)的增益、相位差及頻率。但該芯片的測(cè)量相位差的范圍只有0°～180°。本文通過(guò)提出一種電路結(jié)構(gòu)，使用AD8302進(jìn)行相位比較，測(cè)量相位差的范圍可達(dá)0°～360°。

鑒相芯片AD8302簡(jiǎn)介

芯片AD8302的功能框圖如圖1所示，它內(nèi)部包含2個(gè)精密匹配的寬帶對(duì)數(shù)放大器、1個(gè)寬帶相位檢測(cè)器、1.8V精密基準(zhǔn)源，以及模擬標(biāo)定電路和接口電路，AD8302能精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)之間的幅度和相位差主要基于對(duì)數(shù)放大器的對(duì)數(shù)壓縮功能，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)兩輸入通道的幅度和相位差測(cè)量，能同時(shí)測(cè)量從低頻到2.7GHz頻率范圍內(nèi)2個(gè)輸入信號(hào)之間的增益（亦稱幅度比）和相位差。AD8302不僅能測(cè)量放大器、混頻器等電路的增益和相位差，而且特別適合對(duì)無(wú)線基站及測(cè)試設(shè)備的檢測(cè)。

從芯片的介紹資料上可知，A D8302的相位差檢測(cè)的范圍是0°～180°，對(duì)應(yīng)的輸出電壓變化范圍是0V～1.8V，輸出電壓靈敏度為10mV/度，測(cè)量誤差小于0.5°。當(dāng)相位差Δφ=0°時(shí)，輸出電壓為1.8V，當(dāng)Δφ=180°時(shí)，輸出電壓為30mV，輸出電流為8mA。相位輸出時(shí)的轉(zhuǎn)換速率為30MHz，響應(yīng)時(shí)間為40ns～500ns。AD8302的相位差響應(yīng)曲線如圖2所示，從圖中可以看出，從-180°～+180°，相位檢測(cè)結(jié)果是用0～1.8V的電壓值來(lái)表示的，這將引入一個(gè)模糊的測(cè)量結(jié)果。比如當(dāng)相位變化是45°和-45°時(shí)，檢測(cè)結(jié)果將輸出1個(gè)相同的值，而無(wú)法判斷是哪個(gè)值，因此該芯片的測(cè)量范圍比較小。這也影響了該芯片的應(yīng)用范圍。

本設(shè)計(jì)鑒相電路的介紹

本設(shè)計(jì)通過(guò)增加一個(gè)90度電橋和一個(gè)功分器來(lái)實(shí)現(xiàn)基于AD8302的0°到360°的相位差檢測(cè)。電路結(jié)構(gòu)如圖3所示兩路輸入的射頻信號(hào)RF1和RF2，第一路信號(hào)RF1通過(guò)一個(gè)90度的電橋分成兩路正交信號(hào)φ1，φ1’，第二路信號(hào)RF2通過(guò)功分器分成兩路相位相等的信號(hào)φ2。假設(shè)兩路信號(hào)相位差為45°，則圖3中上路AD8302檢測(cè)的相位差φa=φ1-φ2=45°，則下路的AD8302檢測(cè)的相位差φb=φ1’-φ1=135°。則上路的鑒相輸出的電壓為135mV，從圖2AD8302的鑒相響應(yīng)曲線上可知，如果僅僅得知輸出電壓為135mV的話只能推測(cè)兩路信號(hào)的相位差為45°或-45°，因此需要第二路的鑒相輸出電壓輔助判斷，如果兩路信號(hào)的相位差是45°則下路的AD8302的兩路輸入相位差為135度，因此輸出電壓應(yīng)為45mV，如果兩路輸入信號(hào)的相位差-45°，則下路的兩路輸入信號(hào)相位差為45度，輸出電壓應(yīng)為135mV，這樣就可以判斷兩路信號(hào)RF1和RF2的相位差是45°還是-45°。

具體電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中90度電橋采用Innovative公司IPP-7032型90度電橋芯片，工作頻率為500-3000MHz，插入損耗小于0.6dB，相位平衡度為±5°，滿足設(shè)計(jì)要求。功分器采用mini公司的TCP-2-272+型功分器，工作頻率為5-2700MHz，插入損耗小于0.9dB，相位不平衡度優(yōu)于9°。AD8302的單元電路如圖4所示，由于本設(shè)計(jì)只限于相位差檢測(cè)，因此將幅度差檢測(cè)輸出腳接一個(gè)電阻到地。

電路設(shè)計(jì)和加工

為便于調(diào)試，功分電橋電路和AD8302鑒相電路分開(kāi)加工，分開(kāi)調(diào)試合格后通過(guò)等長(zhǎng)的電纜連接到一起進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。使用Protel 99版圖設(shè)計(jì)軟件對(duì)本設(shè)計(jì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，板材選用Rogers4003c，厚度0.508mm，介電常數(shù)為3.38。版圖設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證電橋輸出的兩路到AD8302輸入端的時(shí)候經(jīng)過(guò)的路線長(zhǎng)度相同，功分器的輸出同樣處理，以保證相位差值不變。AD8302部分版圖的如圖5所示。腔體使用SolidWorks設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，同樣分兩個(gè)腔體設(shè)計(jì)。最終的設(shè)計(jì)實(shí)物圖如圖6所示。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻率源、示波器對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試，鑒相電路滿足各設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，鑒相范圍為0°到360°，工作頻率可達(dá)到500MHz～2700MHz。

總結(jié)

本設(shè)計(jì)通過(guò)引入90度電橋和功分電路，將兩路需要鑒相的信號(hào)分成四路分別在兩個(gè)AD8302芯片中進(jìn)行相位差檢測(cè)，通過(guò)兩路測(cè)試結(jié)果可以對(duì)兩路輸入信號(hào)進(jìn)行精確鑒相，并且測(cè)試相位差范圍擴(kuò)大到0°～360°。擴(kuò)大了AD8302的應(yīng)用范圍，并通過(guò)實(shí)際加工測(cè)試驗(yàn)證了該電路。測(cè)試顯示本設(shè)計(jì)完全可以滿足0°～360°的相位差檢測(cè)。

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