中長波小信號功率駐波表設計與制作

凌立偉 向新 李彥博

(空軍工程大學航空航天工程學院,陜西 西安 710038)

中長波小信號功率駐波表設計與制作

凌立偉 向新 李彥博

(空軍工程大學航空航天工程學院,陜西 西安 710038)

針對用于中長波測量的功率駐波表較少,且一般的駐波表對小信號檢測的準確度低等一系列問題,設計了一個用于中長波小信號測量的功率駐波表。該表通過運用串聯匹配定向耦合電路、反饋式峰值檢波電路及信號運算電路,使得工作頻率降低,并大大提高了小信號檢測的準確性。經過測試表明,該表準確度高,操作簡單,效果甚佳。

無線通信 功率駐波表 中長波 小信號 峰值檢波

0 引言

對于天線工作者來說,駐波表是一件必備的工具,通常用于連接天線與發信機[1]。在進行信號發射時,選定工作頻率后,最關心的是現在的工作狀態是否正常,駐波比是多少,有多少功率進行了有效發射。如果駐波比過大,則意味著有很大一部分的功率將被反射回來,這不僅使天線的工作效率變低,甚至會使發射機末級損壞[2]。但是,絕大多數駐波表適用于高頻、甚高頻,一般工作在1.8～54 MHz頻段,很難找到一種適用于中低頻段的小信號功率駐波表。當然,有一些專業的設備可以做到這一點,比如矢量網絡分析儀,但是這些儀器價格昂貴,體積大且較重,不易攜帶。

本文設計的長波小信號便攜式功率駐波表的工作頻率范圍為0.1～30 MHz,工作功率范圍為0.5～100 W,測量誤差為±5%,適合隨身攜帶,特別適用于移動通信。

1 整體結構

中長波小信號功率駐波表主要包括四個部分:串聯匹配定向耦合電路、反饋式峰值檢波電路、信號處理和顯示電路[3]以及電源管理電路,如圖1所示。

圖1 駐波表的整體結構Fig.1 The whole structure of power standing wave meter

2 電路類型設計

2.1 定向耦合電路設計

定向耦合器[4]對特定方向的取樣量,即耦合系數,應該在使用頻率范圍內是平坦的,并且定向耦合器的插入損耗要小,以至于發射功率不會從輸入端到輸出端產生大數量的減少。定向耦合器的方向性也是一個重要的指標,它表示定向耦合器對非取樣方向的不敏感程度。

定向耦合器主要有兩種類型:一種是利用分布參數電路的微帶線(microstripline)方式;另一種是由集總參數組件組成的電橋方式。串聯匹配定向耦合電路屬于由集總參數組件組成的電橋方式,它適合工作在高頻及以下頻段。由串聯匹配定向耦合電路制成的功率駐波表容易校準,如圖2所示。經過對串聯匹配式定向耦合電路的大量測試后,此耦合電路的工作頻率范圍為0.1～30 MHz,在這個范圍內插入損耗小于0.1 dB。在0.1～30 MHz范圍內,耦合系數的波動幅度在0.1 dB以內,方向性系數在0.1～30 MHz范圍內超過40 dB。

圖2 串聯匹配定向耦合電路Fig.2 The tandem matching directional coupling circuit

串聯匹配定向耦合電路的工作原理如下所述。

傳輸線上的電壓與電流關系[5]為:

式中:U為傳輸線上的電壓;U入為入射電壓;U反為反射電壓;I為傳輸線上的電流;I入為入射電流;I反為反射電流。

傳輸線上各點的阻抗Z是處處相等的,即:

T1為電流互感器,次級電流為:

式中:N1為感應磁環T1的圈數。

電阻上的分壓為:

T2為電壓互感器,其感應電壓為:

式中:N2為感應磁環T2的圈數。

當電橋平衡時,R上的電壓與T2的感應電壓相等而抵消,即平衡條件為:

假如選擇N1=N2,則R=Z。即如果設計測量阻抗[6]為50 Ω的駐波表,只需將R設置為50 Ω;如果需要使用測量阻抗為75 Ω的儀表,只需將R改為75 Ω的電阻。

由圖2可知:

將式(2)、式(3)代入式(9)得:

則定向耦合電路兩端分別得到了正向信號和反射信號。

2.2 反饋式峰值檢波電路設計

絕大多數的駐波表只是用一個鍺二極管作為檢波器,因為鍺二極管相對于硅二極管來說,它的正向導通壓降小。但是,對于小功率信號檢測來說,這個正向導通壓降是不可忽視的。有的駐波表在進行信號處理時將該壓降代數加到結果中去,但是這樣的駐波表測量仍然不準確。這是因為二極管的非線性對小功率信號檢測時的影響遠大于對大功率信號檢測時的影響,在這種情況下,檢測出的正向功率與反向功率的比值偏大[4]。為改善上述情況,設計出了補償式峰值檢波電路,如圖3所示。

圖3 補償式峰值檢波電路Fig.3 The compensation type peak detector circuit

在補償式峰值檢波電路中,二極管D1和D2必須是相同的,這樣才能保證當同一個量級的峰值電流流過二極管時,兩個二極管所產生的壓降最大程度的相等。

對于第一個運放U1A有:

在同相放大電路中,輸出通過負反饋的作用,使U+自動地跟蹤U-,使U+≈U-,這種現象為虛假短路。根據虛短概念,可得:

由于二極管D1和D2是相同的一對,所以電路中有:

由式(15)可以推導出:

補償式峰值檢波電路原理圖如圖4所示。

圖4 補償式峰值檢波電路的原理圖Fig.4 The schematic diagram of compensation type peak detector circuit

2.3 信號處理與顯示電路設計

信號處理與顯示電路的原理圖如圖5所示。

圖5 信號處理與顯示電路的原理圖Fig.5 The schematic diagram of signal processing and display circuits

信號處理電路主要是將定向耦合器獲得的正向電壓和反向電壓,通過運算放大器進行放大或縮小,然后完成駐波比SWR=Umax/Umin=(U反+U入)/(U反-U入)的運算過程。該信號處理電路和顯示電路能夠直接計算并即刻顯示天線上的駐波比,方便天線匹配網絡的調整。

駐波表中信號處理電路的核心部分是運用三極管與運算放大器搭建模擬對數與指數電路,在此基礎上進行電路修改,制成加法器、減法器及除法器,最后完成駐波比SWR的計算。

駐波表實際信號處理過程是SWR=Umax/Umin= (GU反+GU入)/(GU反-GU入)。在進行加、減及除法運算前,加了一級運算放大電路,這樣可以擴展該駐波表的工作信號功率范圍。

本應用中的顯示電路與普通的顯示電路并無差異,均通過電阻與電流表串聯連接來顯示電壓值,通過電壓值與駐波表的對應關系讀出此時的駐波比。駐波表采用的是數字電流表,為了方便讀數,將駐波比與電壓表的比例設置為1∶1,即電壓為1 V,駐波比即為1,電壓為5 V,駐波比即為5。

2.4 電源電路設計

駐波表中電源供給為由+18 V的蓄電池通過倍壓器來轉換為芯片需要的電壓+15 V和±2.5 V。供電模式分為兩種,一種是永不斷電模式,另一種是自動斷電模式。自動斷電模式就是當正向功率大于設定的功率時,電源模塊開始供電;當正向功率小于設定的功率時,電源停止供電,節省電量。本電路中設定的功率為0.5 W。電源電路原理圖如圖6所示。

圖6 電源電路原理圖Fig.6 The schematic diagram of power supply circuit

3 駐波表的制作與校準

3.1 駐波表的制作

射頻級別的儀器一定要注意細節,比如射頻線要盡量短,電路接地要好。以下幾個地方需要特別注意。

①定向耦合電路必須加屏蔽,否則射頻信號會干擾到運算放大器,造成儀表準確性降低;

②定向耦合電路中的兩個耦合磁環必須分隔開;

③檢波電路和信號處理電路的接地要相互分開;

④檢波電路和補償電路中的二極管必須是相同的一對[7],其余的部分按照電路圖制作即可。

3.2 駐波表的校準

定向駐波表的校準只需要一個精準的電壓表就可完成。具體校準操作步驟如下(各連接點已經在圖4、圖5、圖6中進行了標注)。

①將工作模式調制調諧模式,并且功率范圍開關調到10 W滿盤功率處;

②連接TP7和TP8,打開儀表的電源;

③連接TP1、TP2,調整電阻R1,使TP3處的電源為0;

④連接TP4、TP5,調整電阻R2,使TP6處的電源為0;

⑤調節電阻R5,使TP9處的電壓為5 V;

⑥調節功率范圍選擇開關到最合適的檔位;

⑦斷開TP1和TP2以及TP4和TP5;

⑧調整電阻R1,使TP3處的電壓為0;

⑨調整電阻R2,使TP6處的電壓為0;

⑩斷開TP7和TP8。

以上10個步驟即是整個校準過程。經過校準后,該駐波表的準確度和昂貴的實驗室專業設備矢量網絡分析儀基本相同。

3.3 準確性

駐波表的準確性測試是通過羅德與施瓦茨矢量網絡分析儀(ZVL6)[8-9]來完成的,測量頻率為0.5 MHz,功率為2 W。駐波表的測量誤差如圖7所示。

圖7 駐波表測量誤差Fig.7 The measurement error of power standing wave meter

通過圖7的測量誤差可以看出,在駐波比為1～5的范圍內,測量誤差僅為±5%。

4 結束語

駐波表采用串聯匹配定向耦合電路,使工作頻率下限延伸到0.1 MHz;采用帶有反饋式補償電路的峰值檢波電路,使工作功率下限延伸到0.5 W,并大大減小了二極管的非線性對小信號測量的影響,提高了準確度。采用三極管指數與對數電路,使駐波比可以直接線性顯示,并且儀表最終的測量誤差在工作范圍內,僅為±5%。所以該駐波表可以測量中長波小功率信號,且準確度完全符合實際使用的要求。

[1] 周朝棟,王元坤,周良明.線天線理論與工程[M].西安:西安電子科技大學出版社,1988:20-29.

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[4] 馮恩信.電磁場與電磁波[M].西安:西安交通大學出版社, 2006:29-41,45-52.

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[9] 朱偉,韓曉東.矢量網絡分析儀中的電子校準技術[J].理論與方法,2010,29(8):20-22.

Design and Fabrication of the Power Standing Wave Meter for Medium and Long Wave Small Signals

There are rare power standing wave meters can be used for medium and long wave measurement,and the general standing wave meters offer low accuracy in detection of small signals,thus the power standing wave meter suitable for measurement of medium and long wave small signals has been designed.By adopting tandem matching directional coupling circuit,feedback type peak value detecting circuit and signal operation circuit,the operating frequency becomes lower and the accuracy for small signal detection is greatly increased.The tests indicate that the meter is precise,easy to operate and with excellent effects.

Wireless communication Power standing wave meter Medium and long wave Small signal Peak value detection

TN929+.4

A

陜西省自然科學基礎研究基金資助項目(編號:2009JM8001-4);

航空科學基金資助項目(編號:20095596014)。

修改稿收到日期:2013-11-19。

凌立偉(1989-),男,現為空軍工程大學通信與信息系統專業在讀碩士研究生;主要從事寬帶通信網絡技術方面的研究。