中长波小信号功率驻波表设计与制作

凌立伟 向新 李彦博

(空军工程大学航空航天工程学院,陕西 西安 710038)

中长波小信号功率驻波表设计与制作

凌立伟 向新 李彦博

(空军工程大学航空航天工程学院,陕西 西安 710038)

针对用于中长波测量的功率驻波表较少,且一般的驻波表对小信号检测的准确度低等一系列问题,设计了一个用于中长波小信号测量的功率驻波表。该表通过运用串联匹配定向耦合电路、反馈式峰值检波电路及信号运算电路,使得工作频率降低,并大大提高了小信号检测的准确性。经过测试表明,该表准确度高,操作简单,效果甚佳。

无线通信 功率驻波表 中长波 小信号 峰值检波

0 引言

对于天线工作者来说,驻波表是一件必备的工具,通常用于连接天线与发信机[1]。在进行信号发射时,选定工作频率后,最关心的是现在的工作状态是否正常,驻波比是多少,有多少功率进行了有效发射。如果驻波比过大,则意味着有很大一部分的功率将被反射回来,这不仅使天线的工作效率变低,甚至会使发射机末级损坏[2]。但是,绝大多数驻波表适用于高频、甚高频,一般工作在1.8～54 MHz频段,很难找到一种适用于中低频段的小信号功率驻波表。当然,有一些专业的设备可以做到这一点,比如矢量网络分析仪,但是这些仪器价格昂贵,体积大且较重,不易携带。

本文设计的长波小信号便携式功率驻波表的工作频率范围为0.1～30 MHz,工作功率范围为0.5～100 W,测量误差为±5%,适合随身携带,特别适用于移动通信。

1 整体结构

中长波小信号功率驻波表主要包括四个部分:串联匹配定向耦合电路、反馈式峰值检波电路、信号处理和显示电路[3]以及电源管理电路,如图1所示。

图1 驻波表的整体结构Fig.1 The whole structure of power standing wave meter

2 电路类型设计

2.1 定向耦合电路设计

定向耦合器[4]对特定方向的取样量,即耦合系数,应该在使用频率范围内是平坦的,并且定向耦合器的插入损耗要小,以至于发射功率不会从输入端到输出端产生大数量的减少。定向耦合器的方向性也是一个重要的指标,它表示定向耦合器对非取样方向的不敏感程度。

定向耦合器主要有两种类型:一种是利用分布参数电路的微带线(microstripline)方式;另一种是由集总参数组件组成的电桥方式。串联匹配定向耦合电路属于由集总参数组件组成的电桥方式,它适合工作在高频及以下频段。由串联匹配定向耦合电路制成的功率驻波表容易校准,如图2所示。经过对串联匹配式定向耦合电路的大量测试后,此耦合电路的工作频率范围为0.1～30 MHz,在这个范围内插入损耗小于0.1 dB。在0.1～30 MHz范围内,耦合系数的波动幅度在0.1 dB以内,方向性系数在0.1～30 MHz范围内超过40 dB。

图2 串联匹配定向耦合电路Fig.2 The tandem matching directional coupling circuit

串联匹配定向耦合电路的工作原理如下所述。

传输线上的电压与电流关系[5]为:

式中:U为传输线上的电压;U入为入射电压;U反为反射电压;I为传输线上的电流;I入为入射电流;I反为反射电流。

传输线上各点的阻抗Z是处处相等的,即:

T1为电流互感器,次级电流为:

式中:N1为感应磁环T1的圈数。

电阻上的分压为:

T2为电压互感器,其感应电压为:

式中:N2为感应磁环T2的圈数。

当电桥平衡时,R上的电压与T2的感应电压相等而抵消,即平衡条件为:

假如选择N1=N2,则R=Z。即如果设计测量阻抗[6]为50 Ω的驻波表,只需将R设置为50 Ω;如果需要使用测量阻抗为75 Ω的仪表,只需将R改为75 Ω的电阻。

由图2可知:

将式(2)、式(3)代入式(9)得:

则定向耦合电路两端分别得到了正向信号和反射信号。

2.2 反馈式峰值检波电路设计

绝大多数的驻波表只是用一个锗二极管作为检波器,因为锗二极管相对于硅二极管来说,它的正向导通压降小。但是,对于小功率信号检测来说,这个正向导通压降是不可忽视的。有的驻波表在进行信号处理时将该压降代数加到结果中去,但是这样的驻波表测量仍然不准确。这是因为二极管的非线性对小功率信号检测时的影响远大于对大功率信号检测时的影响,在这种情况下,检测出的正向功率与反向功率的比值偏大[4]。为改善上述情况,设计出了补偿式峰值检波电路,如图3所示。

图3 补偿式峰值检波电路Fig.3 The compensation type peak detector circuit

在补偿式峰值检波电路中,二极管D1和D2必须是相同的,这样才能保证当同一个量级的峰值电流流过二极管时,两个二极管所产生的压降最大程度的相等。

对于第一个运放U1A有:

在同相放大电路中,输出通过负反馈的作用,使U+自动地跟踪U-,使U+≈U-,这种现象为虚假短路。根据虚短概念,可得:

由于二极管D1和D2是相同的一对,所以电路中有:

由式(15)可以推导出:

补偿式峰值检波电路原理图如图4所示。

图4 补偿式峰值检波电路的原理图Fig.4 The schematic diagram of compensation type peak detector circuit

2.3 信号处理与显示电路设计

信号处理与显示电路的原理图如图5所示。

图5 信号处理与显示电路的原理图Fig.5 The schematic diagram of signal processing and display circuits

信号处理电路主要是将定向耦合器获得的正向电压和反向电压,通过运算放大器进行放大或缩小,然后完成驻波比SWR=Umax/Umin=(U反+U入)/(U反-U入)的运算过程。该信号处理电路和显示电路能够直接计算并即刻显示天线上的驻波比,方便天线匹配网络的调整。

驻波表中信号处理电路的核心部分是运用三极管与运算放大器搭建模拟对数与指数电路,在此基础上进行电路修改,制成加法器、减法器及除法器,最后完成驻波比SWR的计算。

驻波表实际信号处理过程是SWR=Umax/Umin= (GU反+GU入)/(GU反-GU入)。在进行加、减及除法运算前,加了一级运算放大电路,这样可以扩展该驻波表的工作信号功率范围。

本应用中的显示电路与普通的显示电路并无差异,均通过电阻与电流表串联连接来显示电压值,通过电压值与驻波表的对应关系读出此时的驻波比。驻波表采用的是数字电流表,为了方便读数,将驻波比与电压表的比例设置为1∶1,即电压为1 V,驻波比即为1,电压为5 V,驻波比即为5。

2.4 电源电路设计

驻波表中电源供给为由+18 V的蓄电池通过倍压器来转换为芯片需要的电压+15 V和±2.5 V。供电模式分为两种,一种是永不断电模式,另一种是自动断电模式。自动断电模式就是当正向功率大于设定的功率时,电源模块开始供电;当正向功率小于设定的功率时,电源停止供电,节省电量。本电路中设定的功率为0.5 W。电源电路原理图如图6所示。

图6 电源电路原理图Fig.6 The schematic diagram of power supply circuit

3 驻波表的制作与校准

3.1 驻波表的制作

射频级别的仪器一定要注意细节,比如射频线要尽量短,电路接地要好。以下几个地方需要特别注意。

①定向耦合电路必须加屏蔽,否则射频信号会干扰到运算放大器,造成仪表准确性降低;

②定向耦合电路中的两个耦合磁环必须分隔开;

③检波电路和信号处理电路的接地要相互分开;

④检波电路和补偿电路中的二极管必须是相同的一对[7],其余的部分按照电路图制作即可。

3.2 驻波表的校准

定向驻波表的校准只需要一个精准的电压表就可完成。具体校准操作步骤如下(各连接点已经在图4、图5、图6中进行了标注)。

①将工作模式调制调谐模式,并且功率范围开关调到10 W满盘功率处;

②连接TP7和TP8,打开仪表的电源;

③连接TP1、TP2,调整电阻R1,使TP3处的电源为0;

④连接TP4、TP5,调整电阻R2,使TP6处的电源为0;

⑤调节电阻R5,使TP9处的电压为5 V;

⑥调节功率范围选择开关到最合适的档位;

⑦断开TP1和TP2以及TP4和TP5;

⑧调整电阻R1,使TP3处的电压为0;

⑨调整电阻R2,使TP6处的电压为0;

⑩断开TP7和TP8。

以上10个步骤即是整个校准过程。经过校准后,该驻波表的准确度和昂贵的实验室专业设备矢量网络分析仪基本相同。

3.3 准确性

驻波表的准确性测试是通过罗德与施瓦茨矢量网络分析仪(ZVL6)[8-9]来完成的,测量频率为0.5 MHz,功率为2 W。驻波表的测量误差如图7所示。

图7 驻波表测量误差Fig.7 The measurement error of power standing wave meter

通过图7的测量误差可以看出,在驻波比为1～5的范围内,测量误差仅为±5%。

4 结束语

驻波表采用串联匹配定向耦合电路,使工作频率下限延伸到0.1 MHz;采用带有反馈式补偿电路的峰值检波电路,使工作功率下限延伸到0.5 W,并大大减小了二极管的非线性对小信号测量的影响,提高了准确度。采用三极管指数与对数电路,使驻波比可以直接线性显示,并且仪表最终的测量误差在工作范围内,仅为±5%。所以该驻波表可以测量中长波小功率信号,且准确度完全符合实际使用的要求。

[1] 周朝栋,王元坤,周良明.线天线理论与工程[M].西安:西安电子科技大学出版社,1988:20-29.

[2] 李莉.天线与电波传播[M].北京:科学出版社,2009:151-152.

[3] 王清华.功率驻波表的原理与制作[J].电子制作,2004,6(12): 45-47.

[4] 冯恩信.电磁场与电磁波[M].西安:西安交通大学出版社, 2006:29-41,45-52.

[5] 康华光.电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2007:74-82.

[6] 康行健.天线原理与设计[M].北京:北京理工大学出版社, 1993:91-112.

[7] 张志.射频电源自动阻抗匹配器的开发和实验研究[D].沈阳:东北大学,2008.

[8] 胡蔚星.射频网络分析仪的原理和使用方法[J].有线电视技术,2005(3):67-70.

[9] 朱伟,韩晓东.矢量网络分析仪中的电子校准技术[J].理论与方法,2010,29(8):20-22.

Design and Fabrication of the Power Standing Wave Meter for Medium and Long Wave Small Signals

There are rare power standing wave meters can be used for medium and long wave measurement,and the general standing wave meters offer low accuracy in detection of small signals,thus the power standing wave meter suitable for measurement of medium and long wave small signals has been designed.By adopting tandem matching directional coupling circuit,feedback type peak value detecting circuit and signal operation circuit,the operating frequency becomes lower and the accuracy for small signal detection is greatly increased.The tests indicate that the meter is precise,easy to operate and with excellent effects.

Wireless communication Power standing wave meter Medium and long wave Small signal Peak value detection

TN929+.4

A

陕西省自然科学基础研究基金资助项目(编号:2009JM8001-4);

航空科学基金资助项目(编号:20095596014)。

修改稿收到日期:2013-11-19。

凌立伟(1989-),男,现为空军工程大学通信与信息系统专业在读硕士研究生;主要从事宽带通信网络技术方面的研究。