基于最大等增益圓的矢量調(diào)制器增益控制方法

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(北京航天測控技術(shù)有限公司,北京 100041)

基于最大等增益圓的矢量調(diào)制器增益控制方法

呂佳,胡韻澤,智國寧

(北京航天測控技術(shù)有限公司,北京100041)

矢量調(diào)制器因其自身結(jié)構(gòu)小、功耗低等特點已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、導(dǎo)航、儀器儀表及衛(wèi)星通信等領(lǐng)域;基于矢量調(diào)制器的最大等增益圓理論，深入分析了增益圓點、半徑與調(diào)制器增益輸出的關(guān)系，設(shè)計出一種可全頻段掃描、一鍵自動測試的通用矢量調(diào)制器增益控制方案，實現(xiàn)了對矢量調(diào)制器增益輸出以及其平坦度的精確控制，并可靈活設(shè)置矢量調(diào)制器的精度和平坦度指標(biāo)，提高了矢量調(diào)制器的性能以及校準(zhǔn)效率;驗證對象為Hittite Microwave公司的HMC1097LP4E矢量調(diào)制芯片，單點驗證時間不超過1 min，增益控制精度可達(dá)0.1 dB，平坦度可達(dá)0.5 dB。

矢量調(diào)制器；最大等增益圓；增益平坦度；增益控制

0 引言

目前，矢量調(diào)制器已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、導(dǎo)航、儀器儀表及衛(wèi)星通信等領(lǐng)域，并具有結(jié)構(gòu)小、功耗低和調(diào)制損耗低等優(yōu)點，矢量調(diào)制器最本質(zhì)的功能是在有限的帶寬內(nèi)，通過改變自身調(diào)制衰減電路的控制電壓來改變調(diào)制信號的幅度，對任意輸入的射頻信號實現(xiàn)可變的增益與可變的相移[1]?，F(xiàn)實世界中的矢量調(diào)制器在很多方面總會偏離理想的模型，如加工誤差、矢量調(diào)制器本身的限制、測試系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差以及測試誤差等，會導(dǎo)致增益平坦度的精度下降，矢量調(diào)制器的連續(xù)波輸出性能受到抑制，同時調(diào)制信號的性能也會受到影響。為了取得高精度的增益平坦度以及輸出信號質(zhì)量，需要對矢量調(diào)制器進(jìn)行精確地增益控制。在之前的研究中，調(diào)試人員需要針對不同頻率、功率和溫度等環(huán)境對某一個矢量調(diào)制器進(jìn)行測試，數(shù)據(jù)繁多工作量龐大且需要重復(fù)勞動，此項工作需要消耗大量的時間和人力，因而設(shè)計一個簡便可行的精確增益控制軟件將極大地提高測試效率，節(jié)約開發(fā)成本。

本文以矢量調(diào)制器的最大等增益圓為理論基礎(chǔ)，提出了一種針對矢量調(diào)制器的精確增益控制方法，可實現(xiàn)全自動校準(zhǔn)，可靈活設(shè)置指標(biāo)，可一鍵全頻段測試，并支持手動調(diào)整，從而實現(xiàn)矢量調(diào)制器精確的增益控制。本文以實際應(yīng)用中Hittite Microwave公司的HMC1097LP4E矢量調(diào)制芯片進(jìn)行測試驗證，其工作頻率為0.1～6 GHz，芯片成品尺寸大小為16 mm2，控制電壓要求共模電壓400 mV，差模電壓調(diào)節(jié)范圍-800～800 mV。

1 增益控制原理

1.1 矢量調(diào)制器的工作原理

一個矢量調(diào)制器具有一對控制電路，射頻輸入信號被一分為二成兩路正交信號，它們分別和載波信號相乘之后再組合為一路信號[2]。在這一過程中，信號的增益主要由兩路載波信號的控制電壓決定，即信號的增益控制可理解為是在I和Q構(gòu)成的二維平面中實現(xiàn)的，因此增益可視為一個“矢量”。 在同一頻點上，將不同的控制電壓組合可以產(chǎn)生不同的增益與相位數(shù)據(jù)組合，可用來定義射頻信號增益的幅度與增益的相位。矢量調(diào)制器的功能框圖見圖1。

圖1 矢量調(diào)制器功能框圖

由于所需的實際應(yīng)用中對幅度平坦度和變化精度方面要求較高，同時增益的幅度在計算與測試方面也較為簡單，故選用精確控制增益幅度的手段來達(dá)到精確增益控制的目的。

1.2 最大等增益圓的理論分析

在極坐標(biāo)體系中，正常工作狀態(tài)下的矢量調(diào)制器如果滿足相應(yīng)的控制電壓精度和范圍，那么測試所得的所有增益特性會表現(xiàn)成一個封閉區(qū)域。最大等增益圓就是該封閉區(qū)域的內(nèi)切圓，圓上的點處于該區(qū)域的線性空間內(nèi)。其增益值為區(qū)域邊界上的點的增益最小值。對于最大等增益圓，理想矢量調(diào)制器增益設(shè)置的最小值在圓心處(|r|=0)，該點的增益設(shè)置無效，即為增益圓點；而增益設(shè)置的最大值落在GMAX的圓環(huán)上(|r|=1)，此處的r為歸一化半徑。理想調(diào)制器的最大增益圓見圖2。封閉區(qū)域的邊界由I、Q控制電壓的邊界決定，即控制電壓I的變化范圍為I的差模電壓變化范圍，控制電壓Q的變化范圍為Q的差模電壓變化范圍。

圖2 理想調(diào)制器最大增益圓

(1)

其中:Vmi和Vmq代表圓點對應(yīng)的I-Q直角坐標(biāo)值；VRANGE代表I和Q信號的變化范圍；GMAX代表最大增益，r則是與GMAX同心圓的可變半徑值，當(dāng)r=1時增益為最大。

因此可以得到如下結(jié)論：

1)圓點(|G|=0)在I軸坐標(biāo)為I=Vmi，在Q軸的坐標(biāo)為Q=Vmq；

2)圓點實際上也是增益矢量的原點；

3)增益矢量的幅度集合是以增益無效點為中心的一系列同心圓；

4)當(dāng) (Q-Vmq)/(I-Vmi)為常數(shù)時，增益矢量的相位也是常數(shù)；

5)理想條件下的最大增益圓的半徑是：r=1；圓心位于圓點：Vmi=(Vmi_max-Vmi_min)/2，Vmq=(Vmq_max-Vmq_min)/2。Vmi_max、Vmi_min、Vmq_max、Vmq_min分別為信號I、Q控制電壓范圍的最大值、最小值)。

非理想矢量調(diào)制器的圓點相對于理想的點位會有一個微小的偏差。如果需要精確的增益控制，這些微小的偏差必須進(jìn)行修正。非理想的矢量調(diào)制器增益圓有如下特點：

1)實際的圓點位置在I-Q平面中會出現(xiàn)輕微的偏移。增益同心圓也會作相應(yīng)的偏移，圓心是偏移后的圓點；

2)實際的最大增益圓也會有偏移，但是總是落在理想的最大增益圓內(nèi)。器件的設(shè)計中為這一特性做了相應(yīng)的優(yōu)化工作；

新的圓點可定義為如下：

ON(ΔI,ΔQ)=[(Vmi-Vmi-max),(Vmq-Vmq-max)]

(2)

其中:Vmi和Vmq位于新圓點，而理想的圓點位于：

(3)

非理想器件的最大增益圓，相對于理想器件最大增益圓的偏移，依然可以理解為一個矢量。非理想調(diào)制器的最大增益圓圖示見圖3。

圖3 非理想器件的最大增益圓

非理想器件的最大增益可表示為：與理想器件相似依然為一個圓環(huán)，圓心位于非理想的圓點。非理想矢量調(diào)制器增益矢量的幅度表示如下：

(4)

2 控制方法的方案設(shè)計和程序?qū)崿F(xiàn)

2.1 方案設(shè)計

本方案基于最大增益圓理論，通過將I、Q兩路偏置電壓與極坐標(biāo)空間的對應(yīng)，尋找理想狀態(tài)下調(diào)制器的增益圓點(增益設(shè)置最小值)與非理想狀態(tài)下的增益圓點的細(xì)微差別，采用迭代法不斷確定以及修正圓點位置，從而實現(xiàn)調(diào)制器的增益控制。軟件流程圖見圖4。

圖4 方案整體流程圖

設(shè)定邊界值：根據(jù)矢量調(diào)制器的所需要的共模電壓和差模電壓進(jìn)行計算，在程序入口設(shè)定控制電壓參數(shù)，即I、Q控制電壓范圍的最大值、最小值Vmi_max、Vmi_min、Vmq_max、Vmq_min，一般情況下Vmi_max=Vmq_max，Vmi_min=Vmq_min。根據(jù)Vmi_max和Vmi_min確定I控制電壓的掃描范圍，根據(jù)Vmq_max和Vmq_min確定Q控制電壓的掃描范圍。調(diào)試人員可根據(jù)實際情況對校準(zhǔn)時間和校準(zhǔn)精度進(jìn)行衡量，確定合適的掃描步進(jìn)輸入。

粗校準(zhǔn)：首先固定控制電壓I在初始值，在電壓掃描范圍內(nèi)，按照設(shè)定的掃描步進(jìn)對控制電壓Q進(jìn)行遍歷，選取調(diào)制器輸出增益最小的點，記下控制電壓Q的值Vmq；固定控制電壓Q為Vmq，按照設(shè)定的掃描步進(jìn)對控制電壓I進(jìn)行遍歷，選取調(diào)制器輸出增益最小的點，記下控制電壓I的值Vmi。將控制電壓Vmi和Vmq送入增益圓驗證模塊，根據(jù)最大增益圓法則驗證此數(shù)據(jù)是否滿足調(diào)試人員所設(shè)定的幅度平坦度和指標(biāo)。若滿足直接輸出結(jié)果，若不滿足則進(jìn)入細(xì)校準(zhǔn)環(huán)節(jié)，設(shè)置更精確的掃描步進(jìn)和掃描電壓范圍。

細(xì)校準(zhǔn)：細(xì)校準(zhǔn)環(huán)節(jié)與粗校準(zhǔn)環(huán)節(jié)的原理和流程是一樣的，不同的是對控制電壓掃描范圍和掃描步進(jìn)的設(shè)置。在粗校準(zhǔn)環(huán)節(jié)中得到的數(shù)據(jù)Vmi和Vmq,以此為掃描范圍中點，掃描步進(jìn)修改為更精確的小步進(jìn)，掃描步進(jìn)由調(diào)試人員設(shè)置?？刂齐妷篒和控制電壓Q各掃描10個點，根據(jù)測試結(jié)果得到更為準(zhǔn)確的I、Q的控制電壓。

增益圓驗證：將校準(zhǔn)環(huán)節(jié)得到的增益圓點與最大增益圓半徑(最大增益圓半徑由差模電壓確定)輸入增益圓驗證模塊，選取相位為0°、90°、180°和270°的4個驗證點，得到這4個點的X、Y坐標(biāo)，即為這4個點的I、Q控制電壓，測試這四組控制電壓所對應(yīng)的增益輸出，平坦度滿足調(diào)試人員需求即為驗證通過，否則為不通過。粗校準(zhǔn)環(huán)節(jié)通過增益圓驗證后需進(jìn)行細(xì)校準(zhǔn)進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)果；若粗校準(zhǔn)環(huán)節(jié)或者第二次細(xì)校準(zhǔn)環(huán)節(jié)沒有通過增益圓驗證，則說明這次校準(zhǔn)失敗。調(diào)試人員需檢查設(shè)備，或者重新設(shè)定相關(guān)參數(shù)進(jìn)行掃描。

在增益圓半徑的選擇方面需要對精度以及復(fù)雜度進(jìn)行折中，若半徑選擇太大，雖然會得到準(zhǔn)確的結(jié)果以及優(yōu)質(zhì)的增益平坦度輸出，但會大大增加測試時間以及復(fù)雜度；若半徑選擇太小，雖然縮短了測試時間，但有可能找不到最大增益圓圓點導(dǎo)致校準(zhǔn)失敗。

2.2 程序?qū)崿F(xiàn)

矢量調(diào)制增益控制軟面板包括初始化、儀器選擇、參數(shù)設(shè)置和功能選擇、結(jié)果顯示等。軟面板功能示意圖見圖5。

圖5 軟面板功能示意圖

初始化：將所有參數(shù)清零，保證整個程序的實時性和正確性；

儀器選擇：確定遠(yuǎn)程控制的激勵設(shè)備和測量設(shè)備，并確保連接正確，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制；

參數(shù)設(shè)置：設(shè)置調(diào)制器有關(guān)的參數(shù)和實際應(yīng)用參數(shù)，如共模電壓、差模電壓、掃描步進(jìn)，起始頻率、終止頻率等；

功能選擇：選擇掃描/二次掃描或者進(jìn)行自動測試增益輸出，增益衰減以及衰減步進(jìn)可設(shè)置；

結(jié)果顯示：顯示掃描結(jié)果和測試結(jié)果。

2.3 測試步驟

正交調(diào)制器的精確增益控制由被控設(shè)備(正交調(diào)制器)、測量設(shè)備和軟件共同完成。測量設(shè)備包括射頻信號源、頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)線等。射頻信號源設(shè)備采用Keysight公司的E8267D，適用頻段為250 kHz～26.5 GHz；頻譜分析儀設(shè)備采用Keysight公司的N9030A，適用頻段為3 Hz～26.5 GHz。射頻信號源、頻譜分析儀可以是支持網(wǎng)口通信的臺式儀器，通過交換機(jī)與PC機(jī)相連，PC可通過網(wǎng)口實現(xiàn)對兩臺儀器的遠(yuǎn)程控制。軟件提供正交調(diào)制器增益輸出的控制軟件和動態(tài)鏈接庫?？刂栖浖赏ㄟ^對射頻信號源和頻譜分析儀進(jìn)行控制，經(jīng)過對頻譜分析儀采集結(jié)果的分析，計算出當(dāng)前頻率下最大增益圓對應(yīng)的控制電壓以及輸出相應(yīng)衰減時所對應(yīng)的控制電壓，并選取樣本點進(jìn)行驗證；軟件同時提供正交調(diào)制器增益輸出的自動測量功能，可測量在該軟件控制下正交調(diào)制器的輸出可實現(xiàn)線性衰減，提高調(diào)制器輸出的信號質(zhì)量。具體測試步驟如下：

第一步：正確連接硬件。

矢量調(diào)制器的控制電壓端與射頻信號源機(jī)箱后側(cè)的直流輸出端相連接(I+端、I-端、Q+端、Q-端一共四個)，調(diào)制器的輸出端口與頻譜分析儀相連接。同時PC主機(jī)與射頻信號源、頻譜分析儀的網(wǎng)絡(luò)接口通過交換機(jī)相連，并設(shè)置IP地址在同一個局域網(wǎng)內(nèi)。

第二步：軟件設(shè)置參數(shù)條件。

在射頻信號源和分析儀的綠色指示燈亮起，表示連接成功后， 輸入相應(yīng)調(diào)制器的參數(shù)以及調(diào)試人員設(shè)定的技術(shù)指標(biāo)，具體內(nèi)容如下：

1)共模電壓：400 mV，按照矢量調(diào)制器芯片手冊設(shè)定；

2)差模電壓：400 mV，芯片手冊范圍是-800～800 mV，本次實驗選取400 mV作為掃描邊界；

3)電壓步進(jìn)：1 mV，受儀器Keysight E8267D限制，最小步進(jìn)為1 mV；

4)參考電平：0 dBm，根據(jù)所測矢量調(diào)制器輸出信號進(jìn)行調(diào)整；

5)開始頻率：1000 MHz，根據(jù)實驗頻段確定開始頻率；

6)截止頻率：6000 MHz，根據(jù)實驗頻段確定截止頻率；

7)頻率步進(jìn)：500 MHz，根據(jù)實驗頻段確定頻率步進(jìn)；

8)增益平坦度：0.5 dB，調(diào)試人員可根據(jù)實際情況選擇想要達(dá)到的平坦度指標(biāo)；

9)增益衰減：1 dB，調(diào)試人員可根據(jù)實際情況選擇想要調(diào)制器輸出的增益幅度；

10)衰減步進(jìn)：0.1 dB，調(diào)制人員可根據(jù)實際情況選擇想要調(diào)制器輸出的控制增益步進(jìn)。

第三步：掃描驗證最大等增益圓。

點擊“掃描”，程序按照輸入條件進(jìn)行掃描，文本框內(nèi)顯示出每次掃描的頻點及結(jié)果，待文本框內(nèi)數(shù)據(jù)不再閃爍時，證明該次掃描完成，點擊“結(jié)束”，程序已自動將數(shù)據(jù)存儲在“res_cu.txt”中，將粗掃描結(jié)果存入“res_IQ.txt”中。修改掃描步進(jìn)，點擊“二次掃描”，程序?qū)⒆詣舆M(jìn)行小步進(jìn)的二次掃描以找到最準(zhǔn)備的點，待文本框內(nèi)數(shù)據(jù)不再閃爍時，證明該次掃描完成，程序已自動將數(shù)據(jù)存儲在“res_xi.txt”中，將二次掃描結(jié)果存入“res_IQ.txt”中。點擊“驗證”，程序自動對計算出的樣本點進(jìn)行驗證，每驗證完一個頻點，彈出對話框“驗證滿足條件”，若不滿足，則彈出“頻率驗證失敗，該條件增益圓無法滿足”。驗證過程的詳細(xì)數(shù)據(jù)存儲在“res_IQverify.txt”中，驗證結(jié)果存儲在“res_verify.txt”中，結(jié)果包含I、Q偏壓以及所能達(dá)到的控制精度。

3 矢量調(diào)制器增益控制測試

3.1 精確控制增益平坦度

由HMC1097LP4E芯片手冊可知，芯片可承受的差模電壓范圍為(-800 mV，800 mV)，本次測試取中間值(-400 mV，400 mV)作為矢量調(diào)制器I、Q控制電壓范圍。測試流程如下：本振頻率為1 GHz，功率為0 dBm，設(shè)置控制電壓I、Q的初始值為0 mV，固定電壓Q為0 mV，在-400 mV～400 mV之間掃描電壓I，在接收機(jī)上顯示增益最小的點，該點對應(yīng)的控制電壓I為Vmi，測得Vmi=1(mV)；固定電壓I為Vmi，在-400～400 mV之間掃描電壓Q，在接收機(jī)上顯示增益最小的點，該點對應(yīng)的控制電壓Q為Vmq，測得Vmq=6(mV)。即可定位該器件增益圓點ON為ON=(1,6)，測得對應(yīng)的點就是最小增益(實為損耗)GMIN=-102.4 dB。

由上述可知，理想最大增益圓半徑為R=400(選取的差模電壓范圍為其直徑)，根據(jù)測得的實際圓心得出實際最大增益圓半徑為r=393.92，選取增益圓上的4點進(jìn)行試驗。實際測得增益輸出如表1所示。

表1 增益輸出測試結(jié)果

增益圓對應(yīng)的增益為-42.40 dB、-42.34 dB、-42.39 dB、-42.37 dB。根據(jù)測試值計算輸出增益兩兩之間誤差最大值為Δ=0.06 dB，滿足≤0.5 dB要求。

3.2 精確控制增益輸出

由3.1測試結(jié)果可知，當(dāng)前I、Q控制電壓(增益圓點)為(1,6)，增益圓半徑rN=392.93，當(dāng)前增益輸出為-42.34 dB，則可計算輸出相應(yīng)增益時所對應(yīng)半徑以及控制電壓，測試所得的增益輸出如表2所示。

表2 增益圓半徑及測試增益輸出

由表2可以看出，測試所得的矢量調(diào)制器增益輸出能夠滿足要求。

4 結(jié)論

該增益控制方法實現(xiàn)了對矢量調(diào)制器增益輸出以及其平坦度的精確控制，并可實現(xiàn)全頻段掃描、一鍵自動測試以及手動調(diào)整等功能，以粗校準(zhǔn)與細(xì)校準(zhǔn)相結(jié)合的方式，大大提高了驗證速度。在器件和測試條件允許的范圍內(nèi)，給予調(diào)試人員最大的靈活度，調(diào)試人員可根據(jù)實際應(yīng)用情況權(quán)衡指標(biāo)與測試復(fù)雜度的關(guān)系，靈活設(shè)定合適的幅度平坦度以及幅度衰減量，以取得測試時間與測試精度的平衡。本文采用了一款Hittite Microwave公司的HMC1097LP4E矢量調(diào)制芯片進(jìn)行測試驗證，單點驗證時間不超過1 min，增益控制精度可達(dá)0.1 dB，平坦度可達(dá)0.5 dB。

[1] 倪向東，趙永久，笪余生. 一種矢量調(diào)制器最大等增益圓測試方法 [J].航空兵器，2013(1):54-56.

[2] 周俊杰，趙立新，王 鵬. I/Q調(diào)制器的矢量調(diào)制誤差補償方法研究[J].儀器儀表學(xué)報,2010,8.

[3] 王青松. 數(shù)字矢量調(diào)制及校正技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué),2010.

APracticalApproachBasedonMaxGainCircleforGainControlofaVectorModulator

Lü Jia，Hu Yunze, Zhi Guoning

(Beijing Aerospace Measurement & Control Corp，Beijing 100041，China)

Vector modulators are widely used in radar, navigation, instrument and satellite communication because of their small structure and low power consumption. Based on Max Gain Circle (MGC), analyzed the relationship between radius of the MGC and gain output of the vector modulator deeply, presents a general practical approach for gain control of a vector modulator, which can scan at full frequency in an automatic measurement system. This system implements the accurate controlling of the vector modulator gain output and its flatness, the precision and flatness of the vector modulator can be set up flexibly, and improves the efficiency of the performance and calibration of the vector modulator. The applied object is a chip named HMC1097LP4E of the Hittite Microwave, it takes about 1 minutes to get all required data，the precision of the MGC is 0.1 dB and the gain flatness is less than 0.5 dB in the test frequency．

vector modulator; max gain circle; gain flatness; gain control

2017-08-01；

2017-09-14。

科工局預(yù)研項目(JYKGKCG15001)。

呂 佳(1987-)，女，山西忻州人，碩士研究生，主要從事虛擬儀器射頻軟硬件技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)11-0065-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.017

TP3

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