RF 至位解决方案可为材料分析应用提供精密的相位和幅度数

简介

在分析远程站点的材料时，无法把探针放进材料中，此时，高频收发器为准确量化材料的体积分数提供了一种可行的方法，而且不存在直接接触材料时的不利影响。正交调解器为测量这些应用的幅度和相移提供了一种强大的新方法。这里谈到的接收器信号链采用ADL5380 宽带正交解调器、ADA4940-2 超低功耗、低失真、全差分ADC驱动器和AD7903 双通道、差分、16 位、1 MSPS PulSAR ADC，不但可以提供准确的数据，同时还能确保操作的安全性和经济性。

在图1 所示接收器中，一个连续波信号从发射(Tx)天线发出，通过待分析的材料，到达接收(Rx)天线。接收到的信号将相对于原始发射信号进行衰减和相移处理。该幅度变化和相移可用来确定媒介内容。


图1. 接收机功能框图



幅度和相移可以直接关联元件的透射率和反射率属性，如图2 所示。举例来说，在油气水流中，对于介电常数、损耗和分散度而言，水高，油低，气超低。


图2. 不同均质媒介的透射率和反射率

接收器子系统的实现

图3 所示接收器子系统把RF 信号转换成数字信号，以精确测量幅度和相位。信号链由一个正交解调器、一个双通道差分放大器和一个双通道差分SAR ADC 构成。这种设计的主要目的是在高频RF输入动态范围较大的条件下，获得高精度的相位和幅度测量结果。


图3. 面向材料分析的接收器简化子系统

正交解调器

正交解调器提供一个同相(I)信号和一个正好反相90°的正交(Q)信号。I 和Q 信号为矢量，因此，可以用三角恒等式计算接收信号的幅度和相移，如图4 所示。本振(LO)输入为原始发射信号，RF 输入为接收信号。解调器生成一个和差项。两个信号的频率完全相同，ωLO = ωRF，因此，结果会过滤掉高频和项，差项则驻留于直流。接收信号的相位为?RF，不同于发射信号的相位?LO。该相移为?LO – ?RF，是媒介介 电常数导致的结果，有助于确定材料内容。


图4. 利用正交解调器测量幅度和相位

真实I/Q 解调器具有许多缺陷，包括正交相位误差、增益不平衡、LO-RF 泄漏等，所有这些都会导致解调信号质量下降。要选择解调器，首先确定RF 输入频率范围、幅度精度和相位精度要求。

ADL5380 采用5 V 单电源供电，可接受400 MHz 至6 GHz 范围内的RF 或IF 输入频率，是接收器信号链的理想选择。根据配置，可提供5.36 dB电压转换增益，其差分I 和Q 输出可以把2.5 V p-p差分信号驱动至500 Ω 负载。在900 MHz 时，其噪声系数为10.9 dB，IP1dB 为11.6 dBm，三阶交调截点(IIP3)为29.7 dBm，动态范围出色；而0.07 dB 的幅度平衡和0.2°的相位平衡则可实现杰出的解调精度。采用高级SiGe 双极性工艺制造，提供微型4 mm × 4 mm、24 引脚LFCSP 封装。

ADC 驱动器和高分辨率精密ADC

ADA4940-2 全差分双通道放大器具有卓越的动态性能和可调输出共模，是驱动高分辨率双通道SAR ADC 的理想之选。该器件采用5 V 单电源供电，在2.5 V 共模下可提供±5 V 差分输出。根据配置可提供2 倍增益(6 dB)，并把ADC 输入驱动至满量程。RC滤波器(22 Ω/2.7 nF)有助于限制噪声，减少来自ADC 输入端容性DAC的反冲。采用专有SiGe 互补双极性工艺制造，提供微型4 mm× 4 mm、24 引脚LFCSP 封装。

AD7903 双通道16 位1 MSPS 逐次逼近型ADC 具有出色的精度，满量程增益误差为±0.006%，失调误差为±0.015 mV。该器件采用2.5 V 单电源供电，1 MSPS 时功耗仅12 mW。使用高分辨率ADC的主要目标是实现±1°的相位精度，尤其是当输入信号的直流幅度较小时。ADC 所要求的5 V 基准电压源由ADR435 低噪声基准电压源产生。

如图5 所示，接收器子系统利用ADL5380-EVALZ、EB-D24CP44-2Z、EVAL-AD7903SDZ 和EVAL-SDP-CB1Z 评估套件实现。这些电路组件针对子系统中的互连优化。两个高频锁相输入源提供RF 和LO 输入信号。


图5. 接收器子系统评估平台

表1 总结了接收器子系统中各个组件的输入和输出电压电平。在 解调器的RF 输入端，11.6 dBm 的信号产生的输入在ADC 满量程 范围的–1 dB 之内。表中假定，ADL5380 的负载为500 Ω，转换增 益为5.3573 dB，功率增益为–4.643 dB，ADA4940-2 的增益为6 dB。 该接收器子系统的校准程序和性能结果将在后续章节讨论。

表1. 接收器子系统各组件的输入和输出电压电平

RF 输入	ADL5380 输出		AD7903 输入
(dBm)	(dBm)	(Vp-p)	(dBFS)
11.6	6.957	4.455	–1.022
0	–4.643	1.172	–12.622
–20	–24.643	0.117	–32.622
–40	–44.643	0.012	–52.622