(8月)信号源单音信号功率的准确调理与校准*

摘 要:首要介绍了功率调理通道的硬件规划，体系地论说了前置程控衰减器、主动电平操控环路和后置120dB衰减器的功率调理进程，并详细论说了这3个环节的校准原理和进程。该校准办法具有操作进程简略、校准进程实时可控等特色，经校准后的信号源单音功率具有杰出的线性，准确度能够到达0.1dBm，分辨率到达0.1dBm，输出信号功率动态规模典型值+15～-120 dBm@1 GHz。

0  导言

跟着现代移动通讯技能的广泛应用，针对播送、雷达、电视等不同需求，各种体积小、操作灵敏、可靠性高的专用信号源不断涌现^[1]。作为电子体系中必不可或缺的要害组成部分，信号源首要用来供给鼓励或模仿仿真信号。由于电子技能的快速开展，特别是5G技能的日趋老练及商用，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，频率分辨率到达mHz乃至更小，频率切换时刻到达ns级；跟着高功能接纳机以及大功率器材的呈现，要求信号源具有更大的功率动态规模，更高的功率准确度和分辨率。本文运用主动电平操控（ALC）稳幅电路计划^[2]，结合几种功能优异的扩大器和可控衰减器，提出了一种准确调理输出功率的规划，并给出了单音功率的校准办法。

1   功率调理通道的硬件规划

信号（660M-6GHz）在第一本振板发生今后，经过开关带通滤波器板滤除谐波今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，经过开关低通滤波器板过滤掉此前加载调制信号发生的谐波信号，进入到变频板。变频板首要起两方面效果：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发生低频信号（100 kHz~660 MHz），②完结信号功率的准确调理。从变频板出来的信号现已是比较纯洁的、具有安稳功率的调制信号或许单音信号，依据信号源输出功率巨细设置，大信号挑选扩大通路，小信号挑选衰减通路，终究输出所需求的射频信号。射频信号发生及处理的整个进程由主控软件经过工控板进行大局操控^[3-4]，见图1。

图1 射频信号发生及处理示意图

2   单音信号功率的调理和校准

2.1 信号功率的调理进程

为了完结对功率巨细的准确调理，选用主动电平操控（ALC）环路反应操控办法。如图2所示，咱们在ALC环路（II）之前放置了1个程控衰减器和功率扩大器（I），程控衰减器选用的是Hittite公司(注：2014年被ADI收买)的HMC624，作业频段0~6 GHz，其衰减值经过6位二进制逻辑位来操控，能够完结最小步进0.5 dB，32 dB规模衰减；功率扩大器选用Firstar公司的FGB-1509A，其在1 MHz~9 GHz内的功率增益可达15 dB，选用5 V直流电压供电。程控衰减器的衰减预置值一旦承认将不再更改，和功率扩大器合作调整进入ALC环路的信号功率，首要起两方面效果：①使当压控衰减器处于衰减值较小时，功率链路上的器材作业在线性状况，避免过载对功率器材构成损坏；②确保功率器材作业在线性状况时，信号源整机终究输出功率最大值能够满意企标要求。因而能够说第I部分对整个链路上的功率起到大局把控的效果^[5]。

图2 ALC环路操控作业原理框图

当信号源设置好所需求信号的功率时，CPU会将提早预置好的数值（经过功率校准取得）送给FPGA进行处理，接着经DAC转化成操控压控衰减器的电压信号。输入信号首要进入压控衰减器，然后经过功率扩大器对信号进行扩大，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，发生1个检波电压，经ADC转化成检波数据，在FPGA里完结与CPU预置值进行求和运算，经D/A转化后输出反应操控电压操控压控衰减器。假如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，与参阅预置值求和后发生的反应操控电压随之变大，压控衰减器衰减值变大，使输出功率变小，终究使ALC环路输出功率保持安稳数值^[6]。

依据信号源需求输出功率的巨细，ALC环路输出信号将会挑选走扩大通路仍是衰减通路。后置扩大通路选用的扩大器是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，选用4片HMC624合作运用，完结步进10dB、规模120dB内的可控衰减，详细见表2所示。一般来说经过校准往后，信号从变频板输出，在进入到后置扩大器或衰减器之前的功率在0dBm左右，假如想要输出1GHz、+10dBm的单音信号，就要经过扩大通路；想要输出1 GHz、-65 dBm的单音信号需求经过衰减通路。需求留意的是，信号功率经扩大通路所能到达的最小值有必要小于经衰减通路所能到达的最大值，不然会呈现功率不接连现象。

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

在待校信号源中运转线损测验程序，长途操控SMW200A向FSW26.5发送某校准频点的单音信号，信号源会比较SMW200A宣布信号的功率值与FSW26.5收到信号的测验值并求出差值，这样就得到了当时校准频点下射频同轴电缆的线损数据。换到其他校准点，重复方才的处理进程，取得其他校准点的线损数据，构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

在待校信号源中运转预置值测验程序。测验程序首要设置信号源频率，然后向前置程控衰减器HMC624发送一组数据 D_n 使其作业在某个衰减值下，收效后再向操控ALC环路模仿衰减器的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会别离测出这两种情况下信号源宣布的信号功率 P_no 和 P_n1 ，并被信号源测验程序读取剖析：若∣ P_n1 – P_no  | ≥30 dBm，且契合表1条件，则能够作为前置程控衰减器HMC624的备选预置值。值得阐明的是一般满意条件的 D_n 值不止一组，一般挑选使HMC624衰减最大的那一组作为预置值。当时频点的预置值承认今后将切换到其他校准点，重复方才的处理进程，取得其他校准点的预置值，构成预置值文档保存在信号源本地磁盘中不再改动，除非信号源硬件规划发生变化。

表2 ALC环路模仿衰减器衰减最小时值满意条件

2.2.3 ALC环路校准

ALC环路校准是为了取得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转化今后与CPU预置值进行累加，再经数模转化成反应调理电压来操控压控衰减器的衰减量，从而使输出功率保持安稳。压控衰减器选用的是Hittite公司的模仿电压操控衰减器HMC346AMS8GE，其操控电压为0～-3 V，适用频段DC~8 GHz，能够在30 dB功率规模内对信号进行衰减。FPGA发送的压控衰减器操控数据是12位二进制数据，需求经过D/A转化器和反相运放电路才干发生直接操控HMC346的0～-3 V的模仿操控电压。详细校准进程如下：校准开端设定好校准频点今后开端向D/A转化器顺次发送从000到FFF的压控衰减器数字操控数据，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核算进去今后作为待校信号源的实践输出功率，然后将校准频点、衰减数据和实践功率值三者相关保存起来，今后只需信号源设置了频点和功率，CPU会把与之相关的衰减数据调取出来，作为ALC环路功率参阅值。该校准频点下，000~FFF的压控衰减数据发送完毕，且相相关的功率值均已保存时，则当时频点校准完毕，校准程序会主动切换到下一个校准频点，重复以上进程，直至整个信号源校准进程完毕，校准数据会保存为本地文件供运用信号源时调用。

考虑到校按时刻且功率调理通道上的器材根本作业在线性条件下，000~FFF共4 096个衰减数据不用悉数发送，能够采纳每隔20个或许30个发送1个衰减数据，实践校按时，1个频点在30 dBm规模里发送100～200个衰减数据即可，信号源在调用这100～200个衰减数据时，选用5次函数拟合，核算出其他功率点所对应的二进制衰减数据作为预置参阅值。相同，咱们从100 kHz~6 GHz频段中只选取了128个频点作为校准频点，假如要输出信号频率f_i、功率P_i的信号，f_i不在校准频点上，而是落在了相邻校准频点 f_n-1 和 f_n 之间，则依据式(1)(2)算出频率f_i、功率P_i对应的预置衰减数据D_i。

其间， D_i、D_n-1 与别离为功率P_i时频率 f_i、f_n-1、f_n 对应的衰减数据。求得：

2.2.4 120 dB衰减器校准

120 dB衰减器在作业时不可能正好依照10 dB步进衰减，为了确保小功率信号的准确性，需求对120 dB衰减器进行校准。在ALC环路现已校准的基础上开端进行衰减器校准，校准程序先设定好信号源当时校准频点，输出功率设置为0 dBm，校准程序经过GPIB线缆长途操控FSW26.5，测出此刻信号源的实践功率。然后开端依照表1向120 dB衰减器发送操控数据，使其衰减值从0~120 dB顺次添加，用FSW26.5别离测出每一档衰减下待校信号源宣布的实践信号功率值（n=0,1,2…,12），并求出与输出功率设置为0 dBm的信号源实践输出功率的差值，取反后保存为  格局。当时频点完结校准后，切换到下一校准频点。直至一切频点完结校准后集合起来，构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进程

2.3.1 校准仪器及东西

信号源校准之前先依照表3备齐校准仪器和东西。

2.3.2 校准进程

1)线损数据校准。用GPIB转USB线缆一端连招待校信号源前面板USB插口，另一端合作GPIB转接器，衔接FSW26.5和SMW200A的后面板上的GPIB插座口；用BNC线缆衔接FSW26.5和SMW200A完结两台仪器共时基；用射频同轴电缆衔接SMW200A射频输出接口和FSW26.5的射频输入接口。翻开各仪器开关，预热0.5 h今后，按待校信号源屏幕左边按钮【体系】，按【校准调试】，进入校准设置界面。设置好开端频率和停止频率，按【线损校准】，开端进行线损数据校准。几分钟今后弹出“校准完结”窗口，点击“承认”，校准数据主动依照设定好的途径保存起来，线损校准完毕。

2)前置程控衰减器HMC624预置值校准。用GPIB转USB线缆一端连招待校信号源前面板USB插口，另一端衔接FSW26.5后面板上的GPIB插座口；用BNC线缆连招待校信号源和FSW26.5完结两台仪器共时基；用射频同轴电缆衔接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，设置好开端频率和停止频率，按【HMC624校准】【开端】，校准开端，校准完结后会弹出提示窗口，点击“承认”后，需求回来进入校准调试界面第2页，按【保存衰减器数据】，衰减器校准数据会依照指定途径保存起来，并即时收效，衰减器校准完毕。

3)ALC环路校准。前置程控衰减器HMC624预置值校准完结今后，才干开端进行ALC环路校准。进入到待校信号源校准调试界面第一页，设置好开端频率和停止频率，按【ALC环路校准】【开端】，校准开端。如图3所示为信号源ALC环路校准进程中的输出功率值与CPU衰减预置值的联系曲线图。从图中能够看出在校准了1GHz频点下-16～+14 dBm的功率。校准完结后会弹出提示窗口，点击“承认”后，需求回来进入校准调试界面第2页，按【保存扩大道ALC】，ALC环路校准数据会依照指定途径保存起来，并即时收效，至此ALC环路校准完毕。

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，设置好开端频率和停止频率，按【衰减器校准】【开端】，校准开端。如图4所示为校准进程中的输出功率值与120 dB衰减器衰减预置值的联系曲线图。看出正常情况下校准曲线根本是一条直线，从图中能够看出在结尾现已呈现了非线性现象，这是由于输出信号功率到达-120 dBm时（此刻衰减器的衰减值到达100 dB）受到了底噪的影响。校准完结后会弹出提示窗口，点击“承认”后，回来进入校准调试界面第二页，按【保存衰减器数据】，衰减器校准数据会依照指定途径保存起来，并即时收效，120 dB衰减器校准完毕。

图4 120dB衰减器校准曲线图

3 校准成果及剖析

用FSW26.5丈量现已校准完结的信号源宣布的单音信号功率，直接丈量成果如表5、表6和表7所示，表中数据包含了测验电缆的线损，线损值见表4所示。由表5并结合表4能够看出，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规模内具有杰出的线性；依据表6的数据能够看出信号源输出功率分辨率到达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 部分频点下测验用电缆的线损值表

表5 功率准确度和功率线性度测验记载表

表6 功率分辨率测验记载表

4   定论

运用本文提出的功率调理计划进行规划并经过文中提出的校准办法进行校准的信号源，在低于6 GHz的作业频段，具有较高的功率准确度（准确到0.1 dBm以内）和功率分辨率（0.1 dB），较宽的功率动态输出规模（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，功能安稳，是一种抱负的信号源。 

表7 功率动态规模测验记载表

参阅文献：

[1]   于乃益.10MHz到10GHz信号源的规划与完结[D].成都:电子科技大学,2013.

[2]   韩鹏伟.微波功率扩大器的ALC环路规划[J].电子科技,2014(8):53-56.

[3]   赵润年,汤瑞.一种矢量信号解谐和频谱剖析的射频接纳通道规划[J].国外电子丈量技能,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能研究[J]. 现代电子技能,2016(04):63-65.

[5]   魏建勇.一种信号源功率调理模块规划[J].电子规划工程,2018(10):33-37.

[6]   张煜.信号源的ALC环路规划[J].国外电子丈量技能,2007(05):29-31.