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(8月)信号源单音信号功率的精确调节与校准*

—— *基金项目:中电仪器(安徽)公司电子测量仪器技术,蚌埠市技术创新中心项目《5G终端模拟测试技术》
作者:王 永,周建烨,汤 瑞时间:2020-07-24来源:电子产品世界收藏
编者按:王 永,周建烨,汤 瑞(中电科仪器仪表(安徽)有限公司、电子信息测试技术安徽省重点实验室,安徽 蚌埠 233010) Precise adjustment and calibration of single tone power of the signal source

摘 要:首先介绍了功率调节通道的硬件设计,系统地阐述了前置程控衰减器、自动电平控制环路和后置的功率调节过程,并详细论述了这3个环节的原理和步骤。该方法具有操作步骤简单、过程实时可控等特点,经校准后的信号源单音功率具有良好的线性,准确度可以达到0.1dBm,分辨率达到0.1dBm,输出信号功率动态范围典型值+15~-120 dBm@1 GHz。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202007/416130.htm

0  引言

随着现代移动通信技术的广泛应用,针对广播、雷达、电视等不同需求,各种体积小、操作灵活、可靠性高的专用信号源不断涌现[1]。作为电子系统中必不可或缺的关键组成部分,信号源主要用来提供激励或模拟仿真信号。由于电子技术的快速发展,特别是5G技术的日趋成熟及商用,对信号源的要求越来越高,输出频率扩展到几十G到上百GHz,频率分辨率达到mHz甚至更小,频率切换时间达到ns级;随着高性能接收机以及大功率器件的出现,要求信号源具有更大的功率动态范围,更高的功率准确度和分辨率。本文利用自动电平控制()稳幅电路方案[2],结合几种性能优异的放大器和可控衰减器,提出了一种精确调节输出功率的设计,并给出了单音功率的校准方法。

1   功率调节通道的硬件设计

信号(660M-6GHz)在第一本振板产生以后,经过开关带通滤波器板滤除谐波以后进入矢量信号发生板,在这里加载不同制式的调制信号后,通过开关低通滤波器板过滤掉此前加载调制信号产生的谐波信号,进入到变频板。变频板主要起两方面作用:①第1本振板信号(1.34~2.000 1) GHz和2 GHz本振板信号在这里混频产生低频信号(100 kHz~660 MHz),②实现信号功率的精确调节。从变频板出来的信号已经是比较纯净的、具有稳定功率的调制信号或者,根据信号源输出功率大小设置,大信号选择放大通路,小信号选择衰减通路,最终输出所需要的射频信号。射频信号产生及处理的整个过程由主控软件通过工控板进行全局控制[3-4],见图1。

image.png

图1 射频信号产生及处理示意图

2   功率的调节和校准

2.1 信号功率的调节过程

为了实现对功率大小的精确调节,采用自动电平控制()环路反馈控制方法。如图2所示,我们在环路(II)之前放置了1个程控衰减器和功率放大器(I),程控衰减器选用的是Hittite公司(注:2014年被ADI收购)的HMC624,工作频段0~6 GHz,其衰减值通过6位二进制逻辑位来控制,可以实现最小步进0.5 dB,32 dB范围衰减;功率放大器选用Firstar公司的FGB-1509A,其在1 MHz~9 GHz内的功率增益可达15 dB,采用5 V直流电压供电。程控衰减器的衰减预置值一旦确定将不再更改,和功率放大器配合调整进入ALC环路的信号功率,主要起两方面作用:①使当处于衰减值较小时,功率链路上的器件工作在线性状态,防止过载对功率器件造成损坏;②保证功率器件工作在线性状态时,信号源整机最终输出功率最大值能够满足企标要求。因此可以说第I部分对整个链路上的功率起到全局把控的作用[5]

image.png

图2 ALC环路控制工作原理框图

当信号源设置好所需要信号的功率时,CPU会将提前预置好的数值(通过功率校准获得)送给FPGA进行处理,接着经DAC转换成控制的电压信号。输入信号首先进入,然后经过功率放大器对信号进行放大,之后进入耦合电路,一路作为射频输出,另一路经耦合电路进入检波器,产生1个检波电压,经ADC转换成检波数据,在FPGA里实现与CPU预置值进行求和运算,经D/A转换后输出反馈控制电压控制压控衰减器。如果由于温度或其他原因ALC环路输出功率变大,则检波电压变大,与参考预置值求和后产生的反馈控制电压随之变大,压控衰减器衰减值变大,使输出功率变小,最终使ALC环路输出功率维持恒定数值[6]

根据信号源需要输出功率的大小,ALC环路输出信号将会选择走放大通路还是衰减通路。后置放大通路选用的放大器是Hittite公司的HMC788ALP2E,适用频段DC~10 GHz,增益可达+14 dB。后置衰减通路选用的是Hittite公司的HMC624,采用4片HMC624配合使用,实现步进10dB、范围120dB内的可控衰减,具体见表2所示。一般来说经过校准过后,信号从变频板输出,在进入到后置放大器或衰减器之前的功率在0dBm左右,如果想要输出1GHz、+10dBm的,就要通过放大通路;想要输出1 GHz、-65 dBm的单音信号需要经过衰减通路。需要注意的是,信号功率经放大通路所能达到的最小值必须小于经衰减通路所能达到的最大值,否则会出现功率不连续现象。

image.png

2.2   单音信号功率的校准原理

2.2.1 获取校准所用射频同轴电缆的线损数据

在待校信号源中运行线损测试程序,远程控制SMW200A向FSW26.5发送某校准频点的单音信号,信号源会比较SMW200A发出信号的功率值与FSW26.5收到信号的测试值并求出差值,这样就得到了当前校准频点下射频同轴电缆的线损数据。换到其他校准点,重复刚才的处理过程,获得其他校准点的线损数据,形成文档保存在信号源本地磁盘中,以备后续校准调用。

2.2.2 获取前置程控数字衰减器的预置值

在待校信号源中运行预置值测试程序。测试程序首先设置信号源频率,然后向前置程控衰减器HMC624发送一组数据 Dn 使其工作在某个衰减值下,生效后再向控制ALC环路模拟衰减器的DAC发送2组数据,一组数据使压控衰减器衰减最大,另一组数据使压控衰减器衰减为0,与此同时FSW26.5会分别测出这两种情况下信号源发出的信号功率 PnoPn1 ,并被信号源测试程序读取分析:若∣ Pn1 - Pno  | ≥30 dBm,且符合表1条件,则可以作为前置程控衰减器HMC624的备选预置值。值得说明的是通常满足条件的 Dn 值不止一组,一般选择使HMC624衰减最大的那一组作为预置值。当前频点的预置值确定以后将切换到其他校准点,重复刚才的处理过程,获得其他校准点的预置值,形成预置值文档保存在信号源本地磁盘中不再改动,除非信号源硬件设计发生变化。

表2 ALC环路模拟衰减器衰减最小时值满足条件

image.png

2.2.3 ALC环路校准

ALC环路校准是为了获得CPU预置值作为基准,ALC环路输出耦合回来的信号经检波和AD转换以后与CPU预置值进行累加,再经数模转换成反馈调节电压来控制压控衰减器的衰减量,从而使输出功率保持稳定。压控衰减器选用的是Hittite公司的模拟电压控制衰减器HMC346AMS8GE,其控制电压为0~-3 V,适用频段DC~8 GHz,可以在30 dB功率范围内对信号进行衰减。FPGA发送的压控衰减器控制数据是12位二进制数据,需要经过D/A转换器和反相运放电路才能产生直接控制HMC346的0~-3 V的模拟控制电压。具体校准过程如下:校准开始设定好校准频点以后开始向D/A转换器依次发送从000到FFF的压控衰减器数字控制数据,FSW26.5会测出与每个衰减数据对应的信号源输出功率,校准程序读到该功率值并将该频点的线损计算进去以后作为待校信号源的实际输出功率,然后将校准频点、衰减数据和实际功率值三者关联保存起来,以后只要信号源设置了频点和功率,CPU会把与之关联的衰减数据调取出来,作为ALC环路功率参考值。该校准频点下,000~FFF的压控衰减数据发送完毕,且相关联的功率值均已保存时,则当前频点校准结束,校准程序会自动切换到下一个校准频点,重复以上过程,直至整个信号源校准过程结束,校准数据会保存为本地文件供使用信号源时调用。

考虑到校准时间且功率调节通道上的器件基本工作在线性条件下,000~FFF共4 096个衰减数据不必全部发送,可以采取每隔20个或者30个发送1个衰减数据,实际校准时,1个频点在30 dBm范围里发送100~200个衰减数据即可,信号源在调用这100~200个衰减数据时,采用5次函数拟合,计算出其他功率点所对应的二进制衰减数据作为。同样,我们从100 kHz~6 GHz频段中只选取了128个频点作为校准频点,如果要输出信号频率fi、功率Pi的信号,fi不在校准频点上,而是落在了相邻校准频点 fn-1 和 fn 之间,则根据式(1)(2)算出频率fi、功率Pi对应的预置衰减数据Di

image.png

其中, Di、Dn-1 与分别为功率Pi时频率 fi、fn-1、fn 对应的衰减数据。求得:

image.png

2.2.4 120 dB衰减器校准

120 dB衰减器在工作时不可能正好按照10 dB步进衰减,为了保证小功率信号的准确性,需要对120 dB衰减器进行校准。在ALC环路已经校准的基础上开始进行衰减器校准,校准程序先设定好信号源当前校准频点,输出功率设置为0 dBm,校准程序通过GPIB线缆远程控制FSW26.5,测出此时信号源的实际功率。然后开始按照表1向120 dB衰减器发送控制数据,使其衰减值从0~120 dB依次增加,用FSW26.5分别测出每一档衰减下待校信号源发出的实际信号功率值(n=0,1,2…,12),并求出与输出功率设置为0 dBm的信号源实际输出功率的差值,取反后保存为 image.png 格式。当前频点完成校准后,切换到下一校准频点。直至所有频点完成校准后汇合起来,形成衰减器校准数据文档,存放在本地磁盘。

2.3   单音信号功率的校准过程

2.3.1 校准仪器及工具

信号源校准之前先按照表3备齐校准仪器和工具。

image.png

2.3.2 校准过程

1)线损数据校准。用GPIB转USB线缆一端连接待校信号源前面板USB插口,另一端配合GPIB转接器,连接FSW26.5和SMW200A的后面板上的GPIB插座口;用BNC线缆连接FSW26.5和SMW200A实现两台仪器共时基;用射频同轴电缆连接SMW200A射频输出接口和FSW26.5的射频输入接口。打开各仪器开关,预热0.5 h以后,按待校信号源屏幕左侧按钮【系统】,按【校准调试】,进入校准设置界面。设置好起始频率和终止频率,按【线损校准】,开始进行线损数据校准。几分钟以后弹出“校准完成”窗口,点击“确认”,校准数据自动按照设定好的路径保存起来,线损校准结束。

2)前置程控衰减器HMC624预置值校准。用GPIB转USB线缆一端连接待校信号源前面板USB插口,另一端连接FSW26.5后面板上的GPIB插座口;用BNC线缆连接待校信号源和FSW26.5实现两台仪器共时基;用射频同轴电缆连接SMW200A射频输出接口和FSW26.5的射频输入接口。进入到校准调试界面,设置好起始频率和终止频率,按【HMC624校准】【开始】,校准开始,校准完成后会弹出提醒窗口,点击“确认”后,需要返回进入校准调试界面第2页,按【保存衰减器数据】,衰减器校准数据会按照指定路径保存起来,并即时生效,衰减器校准结束。

3)ALC环路校准。前置程控衰减器HMC624预置值校准完成以后,才能开始进行ALC环路校准。进入到待校信号源校准调试界面第一页,设置好起始频率和终止频率,按【ALC环路校准】【开始】,校准开始。如图3所示为信号源ALC环路校准过程中的输出功率值与CPU衰减预置值的关系曲线图。从图中可以看出在校准了1GHz频点下-16~+14 dBm的功率。校准完成后会弹出提醒窗口,点击“确认”后,需要返回进入校准调试界面第2页,按【保存放大路ALC】,ALC环路校准数据会按照指定路径保存起来,并即时生效,至此ALC环路校准结束。


图3 ALC环路校准曲线图

4)120 dB衰减器校准。进入到待校信号源校准调试界面第1页,设置好起始频率和终止频率,按【衰减器校准】【开始】,校准开始。如图4所示为校准过程中的输出功率值与120 dB衰减器衰减预置值的关系曲线图。看出正常情况下校准曲线基本是一条直线,从图中可以看出在末端已经出现了非线性现象,这是因为输出信号功率达到-120 dBm时(此时衰减器的衰减值达到100 dB)受到了底噪的影响。校准完成后会弹出提醒窗口,点击“确认”后,返回进入校准调试界面第二页,按【保存衰减器数据】,衰减器校准数据会按照指定路径保存起来,并即时生效,120 dB衰减器校准结束。


图4 校准曲线图

3 校准结果及分析

用FSW26.5测量已经校准完成的信号源发出的单音信号功率,直接测量结果如表5、表6和表7所示,表中数据包含了测试电缆的线损,线损值见表4所示。由表5并结合表4可以看出,校准后信号源输出信号功率的准确度在-0.1 dB以内,且在-110~+5 dBm范围内具有良好的线性;根据表6的数据可以看出信号源输出功率分辨率达到0.1 dB;由表7可知低频时输出最大功率在+5 dBm以上,高频时输出最大功率在+12 dBm以上,在(0.1~6 000) MHz频段内最小输出功率低于-120 dBm。

表4 部分频点下测试用电缆的线损值表


频点/MHz

0.1

500

2 000

6 000

线损/dB

0.05

0.1

0.5

1.0

表5 功率准确度和功率线性度测试记录表


5

0

-10

-20

-40

-50

-70

-90

-100

-110

0.1

4.9

-0.1

-10.1

-20.1

-40.1

-50.1

-70.1

-90.1

-100.1

-110.1

500

4.9

-0.1

-10.1

-20.1

-40.1

-50.1

-70.1

-90.1

-100.1

-110.2

2 000

4.5

-0.5

-10.5

-20.6

-40.6

-50.6

-70.6

-90.6

-100.6

-110.6

6 000

4.0

-1.0

-11.0

-21.1

-41.1

-51.1

-71.1

-91.1

-101.1

-111.1

表6 功率分辨率测试记录表

频率/MHz

测试值/dBm

设置值/dBm

-10

-10.1

0.1

-10.1

-10.2

500

-10.2

-10.3

2 000

-10.5

-10.6

6 000

-11.0

-11.1

4   结论

利用本文提出的功率调节方案进行设计并通过文中提出的校准方法进行校准的信号源,在低于6 GHz的工作频段,具有较高的功率准确度(精确到0.1 dBm以内)和功率分辨率(0.1 dB),较宽的功率动态输出范围(10 MHz 以内频段为-120~+5 dBm,10 MHz~6 GHz频段为-120~+12dBm),较好的功率线性度,性能稳定,是一种理想的信号源。 

表7 功率动态范围测试记录表

频率/MHz

测试值/dBm

设置值/dBm

+20

-120

0.1

+6.7

-120.8

500

+15.8

-120.2

2 000

+16.6

-120.5

6 000

+12.9

-120.6

参考文献:

[1]   于乃益.10MHz到10GHz信号源的设计与实现[D].成都:电子科技大学,2013.

[2]   韩鹏伟.微波功率放大器的ALC环路设计[J].电子科技,2014(8):53-56.

[3]   赵润年,汤瑞.一种矢量信号解调和频谱分析的射频接收通道设计[J].国外电子测量技术,2018(04).

[4]   车朝光,李东,邵海明.单通道信号源构成多通道信号源技术研究[J]. 现代电子技术,2016(04):63-65.

[5]   魏建勇.一种信号源功率调节模块设计[J].电子设计工程,2018(10):33-37.

[6]   张煜.信号源的ALC环路设计[J].国外电子测量技术,2007(05):29-31.



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