微波功率測量中的小信號檢測研究

侯寶森

摘 ?要：微波在人類生產(chǎn)生活中運(yùn)用越來越廣，對于它的測量要求也越來越精準(zhǔn)。該文針對微波小信號檢測敏銳度不達(dá)標(biāo)的情況，提出改進(jìn)方案，并簡要介紹了微波功率測量中小信號檢測的方法，從而給出一種提升微波小信號檢測敏感度、提高檢測質(zhì)量的微波功率測量儀優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。該方案經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，小信號檢測效果良好，可作為儀器優(yōu)化的首選。

關(guān)鍵詞：微波功率檢測 ?小信號 ?電路設(shè)計(jì)

中圖分類號：TM933.3;TN911.23 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（a）-0016-02

主流的微波功率測量儀的核心元件一般為微波二極管，可基本滿足微波測量對速度、測量范圍的要求。但這種測量方式也存在一定的弊端，由于輸出電壓過低，導(dǎo)致小信號很容易被噪音埋沒，微波小信號的檢測靈敏度達(dá)不到相關(guān)測量活動的要求。需要提出一種儀器優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，解決小信號測量精度不夠的問題。

1 ?微波功率測量中的小信號檢測

微波描述的是頻率處于某一波段的電磁波，其頻率在300MHz～300GHz的較高波段，長度介于1～1000mm之間。微波又可被進(jìn)一步劃分為分米微波、厘米微波和毫米微波，相較于一般的電磁波，微波的頻率更高，具有穿透性強(qiáng)、似光、非電離等優(yōu)點(diǎn)。在生產(chǎn)生活中，微波常被用于醫(yī)療、通信、雷達(dá)等技術(shù)領(lǐng)域。由于其適用范圍之廣，因此微波的測量工作被高度重視。功率即是微波測量中最重要的一項(xiàng)目標(biāo)參數(shù)。微波信號的檢測通過專門的儀器來完成，分為直接測量和間接測量兩種形式。其中，最為常用的是直接測量中的諧振器測量法，該研究的電路優(yōu)化設(shè)計(jì)方案也針對該方法。諧振器測量法采用微波諧振腔，頻率可調(diào)，當(dāng)諧振腔的頻率與被檢測微波的頻率相等時(shí)腔內(nèi)發(fā)生共振將信號擴(kuò)大，對應(yīng)的檢波器上會將微波的頻率顯示成圖像的變化，通過測算即可獲得被檢測微波的頻率[1]。但在實(shí)際測量過程中，微波頻率信號往往較弱，也就是說小信號檢測的情況經(jīng)常出現(xiàn)。微波功率的大小可通過檢測儀直接獲得，原理是對微波進(jìn)行耦合處理，將其轉(zhuǎn)化為熱能，這種熱能會以電動勢的形式表現(xiàn)在系統(tǒng)電路中。再通過測量電動勢的元件獲取電動勢大小，進(jìn)一步計(jì)算出微波的功率。在檢測中，還可應(yīng)用隔離器、衰減器等設(shè)備提高檢測的精度。

2 ?微波功率測量中的小信號檢測的影響因素

在微波功率測量小信號檢測中，影響測量精度及靈敏度的最主要因素為噪音，這種噪音可能來自1/f、PN節(jié)點(diǎn)等不可消除的部分，也可能來自電位差噪音等干擾。在電子系統(tǒng)內(nèi)部，任何做功的元件都可能成為噪音的來源，其中固有噪音很難利用其他手段進(jìn)行控制，通過電路本身及元器件性能的優(yōu)化可盡力降低固有噪音的發(fā)出程度。例如，產(chǎn)生1/f噪音一個主要原因就是系統(tǒng)內(nèi)元件間存在接觸不良的情況，這種噪音即可通過系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行控制。而對于干擾性噪音來說，對小信號檢測最明顯的噪音通常為電噪音，包括射頻噪音和地電位差噪音。以地電位差噪音為例，若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)或接地不良，就會引發(fā)電位差，通過優(yōu)化接地和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即可避免。

3 ?微波小信號功率測量優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 檢波電路設(shè)計(jì)

采用平面摻雜勢壘二極管作為檢波元件，該種二極管的結(jié)構(gòu)特殊，可滿足微波功率檢測對于速度的要求，且二極管的電容非常有限，檢測過程中性能發(fā)揮穩(wěn)定。對優(yōu)選后的二極管進(jìn)行平衡配置，平衡配置的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面：第一，可避免當(dāng)微波功率電平小于1nW時(shí)，金屬連接熱電壓對檢測精度的影響。第二，避免因發(fā)生諧波導(dǎo)致的檢測誤差。第三，雙重二極管的檢測精度可達(dá)到之前的4倍，但產(chǎn)生的噪音僅為之前的2倍。第四，可避免共模噪音的影響。將檢波電路設(shè)計(jì)為平衡配置的雙二極管形式，加上性能優(yōu)良的二極管元件，信號檢測的靈敏度更高，功率傳感器溫度更為穩(wěn)定。

3.2 采波電路設(shè)計(jì)

在待檢微波功率為-60～+20dBm時(shí)，二極管檢波元件能夠帶來的檢波電壓一般不超過1.4V，檢波完成后測量小信號時(shí)，噪音主要來自1/f。為提高功率傳感器的靈敏度，達(dá)到微波功率檢測指標(biāo)的要求，融入斬波放大技術(shù)。首先調(diào)節(jié)微波信號使其達(dá)到更高的交流信號等級，從而減輕1/f噪音對于靈敏度的影響，然后再將小信號放大。斬波放大技術(shù)的作用是持續(xù)的，它能夠?qū)?/f噪音調(diào)整到更高的頻段，然后利用低通濾波器將噪音過濾。該過程并不影響正常需要檢測的信號，通過調(diào)制后，又將正常信號解調(diào)傳回基帶，可有效避免白噪音混疊的問題。斬波元件對小信號的處理作用由電子開關(guān)進(jìn)行控制，其中放大部分主要包括斬波調(diào)制模塊、放大模塊和解調(diào)模塊。小信號經(jīng)過斬波器，電子開關(guān)控制其反復(fù)的連通和切斷，擴(kuò)大直流小信號的頻率使其與斬波驅(qū)動信號的頻率相同。再經(jīng)過電容交流耦合作用，利用交流放大器提高增益，過濾噪音。正常信號通過解調(diào)模塊的斬波作用，將交流信號轉(zhuǎn)化成直流信號。經(jīng)處理后的信號還要通過低噪音放大的處理，該過程主要依靠低直流電流晶體管和運(yùn)算放大器完成，將信號初步放大，逐步經(jīng)歷低通斬波和數(shù)模轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)微波功率小信號的采集和檢測。而對于噪音干擾的處理，可在設(shè)計(jì)過程中添加電磁屏蔽，設(shè)置完整的地平，選取合理的布線方式和連接方法，以最大程度減輕噪音對微波功率小信號采集及檢測的干擾。

3.3 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

在整個檢測過程中，后端的信號采集模塊對微波功率小信號的檢測靈敏度也有較強(qiáng)的影響。在信號采集方案的基礎(chǔ)之上，使用Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)。該技術(shù)為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)，其中包括噪音成像、數(shù)據(jù)濾波、抽取等技術(shù)分支。Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用過程中，采樣技術(shù)首先發(fā)揮功能，信號采樣的頻率為kfs，即k倍的奈奎斯特頻率[2]。該作用的優(yōu)點(diǎn)在于可將信號噪音進(jìn)行分散處理，可明顯提升信噪比。例如，在N bit ADC中，信噪比可表示為SNR=6.02N+1.76dB。提升SNR可使信號檢測更為靈敏。在傳統(tǒng)技術(shù)中，要想實(shí)現(xiàn)信號檢測精度的提高，只能通過增加ADC的位數(shù)來實(shí)現(xiàn)。而使用該研究中提出的kfs頻率進(jìn)行采樣，可降低顯示噪音基線。雖然并沒有改變信噪比SNR，但噪音的分布頻率更為寬泛，能夠達(dá)到fs/2的噪音功率已經(jīng)非常有限。在相同輸入信號頻率的條件下，噪音的功率變化為原來的1/K。也就是說，信噪比變?yōu)?.02N+1.76+10log10KdB。在此條件下，采集到的微波信號頻率每提高到原來的1倍，其信噪比都可在原來的基礎(chǔ)上增加3dB。這樣一來，微波功率小信號的檢測中，噪音對監(jiān)測靈敏度的影響就可得到最大程度的控制。例如，某實(shí)驗(yàn)使用4階64倍的Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)對檢測電路進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)噪音的影響得到很好的抑制，信噪比增加明顯，對于微波功率小信號的檢測精度較高，信噪比達(dá)到115dB，證明方案切實(shí)可行。

在設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用檢測中發(fā)現(xiàn)，以上方法能夠讓微波功率小信號檢測的精確度平均上升12dB左右，功率檢測結(jié)果的精確度也可提高0.4dB。

4 ?結(jié)語

微波功率測量儀的靈敏度主要受功率傳感器的影響，傳感器檢測性能的發(fā)揮除了要受噪音的干擾外，檢測溫度、檢測時(shí)間的變化均會給最終小信號功率的測量值帶來一定偏差。為獲得最可靠的微波小信號功率檢測結(jié)果，要對傳感器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，還要控制其他因素的作用程度，值得做進(jìn)一步的研究和創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)

[1] 冷朋，趙浩.微波功率測量中的小信號檢測[J].國外電子測量技術(shù)，2017，36（3）：67-69.

[2] 陳振林，崔欣辰.微波同軸小功率計(jì)校準(zhǔn)因子測量不確定度評定[J].計(jì)測技術(shù)，2015，35（S1）：229-230，234.