便携式功率分析仪设计----硬件设计(二)

3.3系统硬件设计

功率分析仪硬件设计采用，两段式设计，即主机以及探头两部分。探头部分设计包括微波模块，分频模块和功率检波模块（分频模块将在频率测量设计部分加以介绍）。主机部分主要是：电源，数据采集模块，FPGA以及ARM控制部分，同时液晶显示屏和键盘等外部输入设备也包含于其中。

3.3.1探头部分设计

3.3.1.1微波模块

微波模块包括前端一路输入，衰减器，功分器，后端的二路输出和模块控制信号输入端。射频脉冲信号通过射频同轴连接器将射频信号注入系统中，射频同轴连接器采用SMA螺纹连接，阻抗50欧，和系统阻抗相匹配。后端两路是经过微波模块处理的输出，包括功率输出和频率输出。模块控制信号主要是微波模块的电源控制和信号通道切换，衰减切换。

微波模块的控制信号主要包括三类：电源控制、开关控制、衰减控制。电源实现内外电源的连接。主要包括＋5v、－5v和地三部分。FPGA通过开关控制信号控制微波模块内部的选通开关，切换频率，功率。微波模块内部的功分器用于将信号分成两路相位相同、幅值相等的信号，送入功率输出端和频率输出端。微波模块的衰减网络设计将下一节衰减电路中进行详细介绍。微波模块的硬件框图如图3-3所示。

3.3.1.2衰减电路

为了扩大功率测量的范围和测量的精读，使用了衰减测量的方法。功率衰减是指对解调前的信号进行衰减，可以扩大检波器的检波范围，提高检波精度。后端衰减是对进行解调以后的信号进行衰减控制，主要用来提高A/D转换的范围。

功率衰减是通过微波模块内部的衰减网络实现控制。功率衰减网络是由精密衰减器和数字控制两部分组成。衰减器部分由N组用精密电阻组成的Π型网络，按照阻抗匹配的原则，用微型继电器来切换，组成总衰减量为NdB，变化步长为N dB的衰减器。基本的Pi型衰减器工作原理如下图3-4所示：

L1是直通路径，直接连接两个单刀开关，L2接有Π型固定衰减电阻网络。假定L1的传输衰减为IL1，L2的传输衰减为IL2 + X dB，其中，X dB为Π形衰减网络的衰减量。每一位的衰减量A tt可由公式（1）表示为：

采用硅薄膜电阻工艺的固定衰减器直接安装在腔体上。该衰减器体积小、稳定性高、可承受较大功率，在射频段仍能保持平坦的衰减特性。开关由工作于导通与截止两个稳定状态的PIN二极管组成，受温度影响较小；衰减电阻具有较好的温度稳定性；Π型网络本身具有自温度补偿作用，因此衰减器可在-55～85℃温度范围保持几乎恒定的衰减，开关-固定衰减器结构能够保持良好的匹配。

根据检波电路的最佳工作范围，以及功率检波芯片功率测量范围，在功率测量中，对微波衰减网络的衰减网络选择了0、20dBm的衰减控制。微波模块内部的衰减网络的衰减控制端连接FPGA.由ARM通过FPGA产生控制信号送至功率衰减器实现对输入功率信号进行0dB或20dB的衰减。

3.3.3射频包络检波模块

在本设计中对数检波芯片的输入阻抗为50，当被测设备不是标准信号发生设备时，为保证阻抗匹配，并且信号能准确的注入后级射频检波芯片输入端。前端设计的功率衰减网络在提供功率衰减的同时，同时提供与系统特性阻抗匹配的输入输出阻抗，通过调整接地的分流电阻阻值，保证衰减输出阻抗为50，达到与对数检波芯片的输入阻抗相匹配的目的。

3.3.3.1峰值检波电路

检波器是射频技术中的常规部件之一，在射频信号检测、自动增益控制、功率检测、稳幅的应用中是关键性部件。在许多场合，要求检波器在宽频带内具有良好的驻波特性、功率平坦度、高灵敏度。

AD8318是基于半导体的单片检测器，优于传统的产品，它比模块解决方案有更高的性价比，比基于分立二极管的检测器有更高的精确度，采用ADI公司的XFCB-3SiGe生产技术，能提供较快的速度、精确度和温度稳定性。AD8318兼备高精度和宽动态范围的独特结合，使其适用于许多种类的无线通信基础设备，包括GSM，CDMA和W-CDMA蜂窝基站以及WLAN802.11应用和点对点固定无线系统中，进行接收信号强度指示和发射功率水平检测。AD8318的基本特性如下：

（1）频带范围宽：能够精确测量1MHz~8GHz带宽内RF信号的功率；

（2）动态范围大，精确度高：在5GHz时，动态范围超过55dB，精确度优于+1dB；在8GHz时，动态范围超过58dB，精确度优于+3dB；

（3）稳定性好：温度漂移能调整到所需的频段，从-40℃到85℃的稳定度优于+0.5dB，完全能够达到规定的技术指标；

（4）用电压来表示输入信息的大小；

（5）低噪音，输入电源噪音1.15nV/ √Hz；

（6）+5V单电压供电，最大电流仅为68mA，最小功耗仅为1.5mW；

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