一種便攜式射頻功率測量模塊的設計

吳 維，王亞東

（北京敏視達雷達有限公司，北京 100094）

射頻功率是表示射頻信號強弱的物理量。在氣象雷達日常維修維護中，功率測試非常重要。目前廣泛使用的射頻功率測量設備是射頻功率計，如安立ML2496A、羅德與施瓦茨NRP2、安捷倫N1911A等，在氣象雷達日常維修維護的測試中，存在諸多不足：1）不適合隨身攜帶，不利于翻山越嶺、披荊斬棘或爬上爬下；2）雷達天線罩內或天線陣下缺少或沒有交流電供電，這些儀表“巧婦難為無米之炊”；3）這些昂貴的功率計在實際使用中往往“大材小用”“性價比”偏低。雷達基站和一線維修維護人員希望有一款輕便好用又實惠的射頻功率測量設備。

1 目前常用射頻功率測量設備介紹

目前廣泛使用射頻功率計測量射頻功率，圖1為安立公司ML2496A型射頻功率計及其功率探頭。

圖1 ML2496A型射頻功率計及其功率探頭Fig.1 ML2496A RF Power meter and its power probe

作為一款通用型產品，該功率計頻率覆蓋范圍從100KHz～65GHz，動態測量范圍從-70dBm～+20dBm，支持連續波、射頻脈沖信號及調制射頻信號的測量[1]。在研發設計領域，這樣一款功率計能提供面面俱到的測量能力，但在氣象雷達日常維修維護領域，往往做不到物盡其用，并且其4公斤左右的重量，需要交流電供電的特性，以及昂貴的價格和使用成本，都不適合隨身攜帶及野外使用。

2 針對氣象雷達的便攜式射頻功率測量模塊的設計

在氣象雷達日常維修維護中，“全能型”儀表并不是剛性需求。例如某雷達發射機輸入輸出功率測試，只要能準確測量1.29GHz頻率下的功率數據即可，并不需要高達65GHz的頻率測量范圍，也不需要90dB的動態測量范圍[2]。對于雷達基站和一線維修維護人員而言，功率測量設備的便攜性、易用性、經濟性也很重要。針對中國氣象局常用氣象雷達所覆蓋的P/L/S頻段及相關待測信號特點，專門設計了一款便攜式射頻功率測量模塊，其主要指標參數如下：

1）頻率測量范圍：10MHz～8GHz

2）功率測量范圍：-30dBm～10dBm

3）測量精度：±1.5dB

4）輸入阻抗：50Ω

5）射頻接口：SMA

2.1 射頻功率測量模塊硬件電路設計

射頻功率測量模塊硬件電路設計框圖如圖2所示。

功率傳感器模塊ZX47-40+將射頻功率轉化為直流電壓，通過采樣保持電路送到STM32L4。該芯片對直流信號進行采樣，參考待測信號頻率選擇結果及環境溫度查表并計算得到功率信息，顯示在LED屏上。整個模塊由電池供電，電路內部又劃分出數字電源和低噪聲模擬電源兩種電源。

2.1.1 射頻功率傳感器部分

圖2 功率計硬件總體設計框圖Fig.2 Hardware overall design block diagram of power meter

圖3 輸入信號功率與輸出電壓曲線Fig.3 Input signal power and output voltage curve

圖4 輸入信號頻率與駐波特性曲線Fig.4 Input signal frequency and standing wave characteristic curve

射頻功率傳感器可將射頻功率轉化為直流電壓，采用MINI公司的專用射頻功率模塊ZX47-40+。該模塊主要特性如圖3～圖6所示[3]。

從圖3可以看出，模塊ZX47-40+在射頻信號輸入功率范圍為-30dBm～10dBm這個區間內，輸出電壓具有良好的線性度。從圖4可以看出，不同頻率的輸入信號對應不同的輸入駐波比，在實際測量時需要對最終結果做一定補償。從圖5可以看出，當輸入信號功率為-30dBm時，環境溫度對射頻信號功率對應的輸出電壓有輕微影響，可以考慮進行溫度補償[4]。從圖6可以看出，模塊ZX47-40+自帶溫度傳感器，同時溫度傳感器輸出電壓和實際溫度成正比例，這為獲取溫度數據提供了便利。

圖5 輸出電壓與溫度特性曲線Fig.5 Output voltage and temperature characteristic curve

圖6 溫度輸出特性曲線Fig.6 Temperature output characteristic curve

圖7 跨導峰值保持電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of the cross-guided peak retention circuit

2.1.2 高速脈沖信號采樣保持部分

高速脈沖信號與慢速A/D變換器之間，需要峰值采樣保持電路。普通運放峰值保持電路性能較差，這里采用跨導型運放的峰值保持電路，原理圖如圖7所示[5]。

其中，MAX436EPD為寬帶高速跨導運算放大器，D5是1N4148，為高速開關二極管，C73為100pF的保持電容，THS4631D為FET輸入型運放，接成跟隨器形式。

2.1.3 供電部分

射頻功率測量模塊采用9V電池供電，一方面提高了設備適應能力，改善了便攜性；另一方面，電池可以近似認為是一種理想直流電源[6]。和采用交流電供電的開關電源相比，電池電壓波動小、噪聲低，有助于獲得更高的測量精度[7]。針對模塊中的射頻模擬部分和數字電路部分，分別采取了低噪聲模擬電源和低噪聲數字電源。

2.1.4 其它功能部分

射頻功率測量模塊功率信號和溫度信號A/D采樣、屏幕顯示、頻率選擇等部分全部圍繞核心芯片STM32L4展開。該芯片基于CORTEX-M4內核，擁有豐富外設及強大的數據處理能力，同時支持超低功耗特性[8]。該芯片利用GPIO接口讀取頻率選擇開關設定，利用內部A/D轉換單元將模擬信號轉換為數字信號，對所得數據進行查表及運算，再通過USART與外部LED屏幕相連，顯示最終結果。基于強大的STM32L4芯片，各功能單元電路簡單，結構緊湊。

2.2 射頻功率測量模塊軟件設計

射頻功率測量模塊軟件流程圖如圖8所示。

基于測量精度的考慮，射頻功率測量模塊推薦的輸入信號功率范圍是-30dBm～10dBm，并不是射頻功率傳感器模塊ZX47-40+支持的-50dBm～20dBm。處于推薦功率范圍內的信號，射頻功率測量模塊會給出測量后的結果，超出推薦功率范圍外的信號，射頻功率測量模塊會提示輸入信號功率超限，并顯示上限超限或下限超限。對處于ZX47-40+可測量功率范圍外的信號，需要通過衰減、耦合或放大等措施，先將待測信號調整到允許測量區間內，再進行測試。射頻功率測量模塊在輸入信號功率范圍-30dBm～-10dBm區間內，擁有最高的測量精度。

表1 射頻連續波信號測試Table 1 RF Continuous wave signal testing

表2 射頻脈沖信號測試Table 2 RF Pulse signal testing

圖8 射頻功率測量模塊軟件流程圖Fig.8 RF Power measurement module software flowchart

3 射頻功率測量模塊測試及精度提高方法

3.1 射頻功率測量模塊測試

為驗證射頻功率測量模塊讀數的準確性，利用射頻信號源輸出特定信號提供給射頻功率測量模塊，對比測量結果與設定值之間的誤差。分別進行射頻連續波信號和射頻脈沖信號測試，脈沖寬度取1us和10us兩種規格，數據見表1、表2。

從表1、表2可以看到，射頻功率測量模塊的數據誤差均在±1.5dB以內，滿足氣象雷達日常維修維護使用需求。

3.2 實際應用時提高測量精度的方法

為提高射頻功率測量模塊的精度，已經在硬件電路上采取了很多措施，如電源去耦、隔離供電、合理布局、合理布線、殼體屏蔽等[9]。軟件上，也加入了數字濾波、誤差補償、非線性區間曲線擬合等措施[10]。在實際使用中，針對經常要測量的信號，為提高精度，可以建立對應的數據庫。譬如在模塊調試時，針對某一待測信號，先編號，再用射頻信號源模擬出不同功率的此信號，輸入功率測量模塊并讀數，建立該待測信號直流電壓測量值與信號實際功率的對應數據表。實際測量時，通過待測信號頻率選擇開關告知電路板此信號編號，電路板就會在測量完畢后調用此信號對應的數據表，查找并計算出這個信號的功率。調試時數據表建立的越詳細，實際測量時精度越高。可以針對不同待測信號建立不同的數據表，形成數據庫。

4 小結

和動輒幾萬、十幾萬的國外射頻功率計相比，本射頻功率測量模塊小巧輕便，成本低廉，滿足氣象雷達日常維修維護測量精度要求。實際使用中，受到了一線維修維護人員的肯定。相同的思路，通過更換功率傳感器，譬如將ZX47-40+模塊更換為ADI公司的ADL5906電路，本射頻功率測量模塊還可以拓展更寬的頻率測量范圍，實現更廣泛的應用。