微波功率测量中的小信号检测研究

侯宝森

摘  要：微波在人类生产生活中运用越来越广，对于它的测量要求也越来越精准。该文针对微波小信号检测敏锐度不达标的情况，提出改进方案，并简要介绍了微波功率测量中小信号检测的方法，从而给出一种提升微波小信号检测敏感度、提高检测质量的微波功率测量仪优化设计方案。该方案经多次实验，小信号检测效果良好，可作为仪器优化的首选。

关键词：微波功率检测  小信号  电路设计

中图分类号：TM933.3;TN911.23   文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）11（a）-0016-02

主流的微波功率测量仪的核心元件一般为微波二极管，可基本满足微波测量对速度、测量范围的要求。但这种测量方式也存在一定的弊端，由于输出电压过低，导致小信号很容易被噪音埋没，微波小信号的检测灵敏度达不到相关测量活动的要求。需要提出一种仪器优化设计方案，解决小信号测量精度不够的问题。

1  微波功率测量中的小信号检测

微波描述的是频率处于某一波段的电磁波，其频率在300MHz～300GHz的较高波段，长度介于1～1000mm之间。微波又可被进一步划分为分米微波、厘米微波和毫米微波，相较于一般的电磁波，微波的频率更高，具有穿透性强、似光、非电离等优点。在生产生活中，微波常被用于医疗、通信、雷达等技术领域。由于其适用范围之广，因此微波的测量工作被高度重视。功率即是微波测量中最重要的一项目标参数。微波信号的检测通过专门的仪器来完成，分为直接测量和间接测量两种形式。其中，最为常用的是直接测量中的谐振器测量法，该研究的电路优化设计方案也针对该方法。谐振器测量法采用微波谐振腔，频率可调，当谐振腔的频率与被检测微波的频率相等时腔内发生共振将信号扩大，对应的检波器上会将微波的频率显示成图像的变化，通过测算即可获得被检测微波的频率[1]。但在实际测量过程中，微波频率信号往往较弱，也就是说小信号检测的情况经常出现。微波功率的大小可通过检测仪直接获得，原理是对微波进行耦合处理，将其转化为热能，这种热能会以电动势的形式表现在系统电路中。再通过测量电动势的元件获取电动势大小，进一步计算出微波的功率。在检测中，还可应用隔离器、衰减器等设备提高检测的精度。

2  微波功率测量中的小信号检测的影响因素

在微波功率测量小信号检测中，影响测量精度及灵敏度的最主要因素为噪音，这种噪音可能来自1/f、PN节点等不可消除的部分，也可能来自电位差噪音等干扰。在电子系统内部，任何做功的元件都可能成为噪音的来源，其中固有噪音很难利用其他手段进行控制，通过电路本身及元器件性能的优化可尽力降低固有噪音的发出程度。例如，产生1/f噪音一个主要原因就是系统内元件间存在接触不良的情况，这种噪音即可通过系统优化进行控制。而对于干扰性噪音来说，对小信号检测最明显的噪音通常为电噪音，包括射频噪音和地电位差噪音。以地电位差噪音为例，若结构设计不当或接地不良，就会引发电位差，通过优化接地和合理的结构设计即可避免。

3  微波小信号功率测量优化设计

3.1 检波电路设计

采用平面掺杂势垒二极管作为检波元件，该种二极管的结构特殊，可满足微波功率检测对于速度的要求，且二极管的电容非常有限，检测过程中性能发挥稳定。对优选后的二极管进行平衡配置，平衡配置的优势主要体现在以下方面：第一，可避免当微波功率电平小于1nW时，金属连接热电压对检测精度的影响。第二，避免因发生谐波导致的检测误差。第三，双重二极管的检测精度可达到之前的4倍，但产生的噪音仅为之前的2倍。第四，可避免共模噪音的影响。将检波电路设计为平衡配置的双二极管形式，加上性能优良的二极管元件，信号检测的灵敏度更高，功率传感器温度更为稳定。

3.2 采波电路设计

在待检微波功率为-60～+20dBm时，二极管检波元件能够带来的检波电压一般不超过1.4V，检波完成后测量小信号时，噪音主要来自1/f。为提高功率传感器的灵敏度，达到微波功率检测指标的要求，融入斩波放大技术。首先调节微波信号使其达到更高的交流信号等级，从而减轻1/f噪音对于灵敏度的影响，然后再将小信号放大。斩波放大技术的作用是持续的，它能够将1/f噪音调整到更高的频段，然后利用低通滤波器将噪音过滤。该过程并不影响正常需要检测的信号，通过调制后，又将正常信号解调传回基带，可有效避免白噪音混叠的问题。斩波元件对小信号的处理作用由电子开关进行控制，其中放大部分主要包括斩波调制模块、放大模块和解调模块。小信号经过斩波器，电子开关控制其反复的连通和切断，扩大直流小信号的频率使其与斩波驱动信号的频率相同。再经过电容交流耦合作用，利用交流放大器提高增益，过滤噪音。正常信号通过解调模块的斩波作用，将交流信号转化成直流信号。经处理后的信号还要通过低噪音放大的处理，该过程主要依靠低直流电流晶体管和运算放大器完成，将信号初步放大，逐步经历低通斩波和数模转换，最终实现微波功率小信号的采集和检测。而对于噪音干扰的处理，可在设计过程中添加电磁屏蔽，设置完整的地平，选取合理的布线方式和连接方法，以最大程度减轻噪音对微波功率小信号采集及检测的干扰。

3.3 数据采集电路设计

在整个检测过程中，后端的信号采集模块对微波功率小信号的检测灵敏度也有较强的影响。在信号采集方案的基础之上，使用Σ-Δ转换技术进行数据采集电路的设计。该技术为模拟数字转换技术，其中包括噪音成像、数据滤波、抽取等技术分支。Σ-Δ转换技术应用过程中，采样技术首先发挥功能，信号采样的频率为kfs，即k倍的奈奎斯特频率[2]。该作用的优点在于可将信号噪音进行分散处理，可明显提升信噪比。例如，在N bit ADC中，信噪比可表示为SNR=6.02N+1.76dB。提升SNR可使信号检测更为灵敏。在传统技术中，要想实现信号检测精度的提高，只能通过增加ADC的位数来实现。而使用该研究中提出的kfs频率进行采样，可降低显示噪音基线。虽然并没有改变信噪比SNR，但噪音的分布频率更为宽泛，能够达到fs/2的噪音功率已经非常有限。在相同输入信号频率的条件下，噪音的功率变化为原来的1/K。也就是说，信噪比变为6.02N+1.76+10log10KdB。在此条件下，采集到的微波信号频率每提高到原来的1倍，其信噪比都可在原来的基础上增加3dB。这样一来，微波功率小信号的检测中，噪音对监测灵敏度的影响就可得到最大程度的控制。例如，某实验使用4阶64倍的Σ-Δ转换技术对检测电路进行优化，结果发现噪音的影响得到很好的抑制，信噪比增加明显，对于微波功率小信号的检测精度较高，信噪比达到115dB，证明方案切实可行。

在设计方案的应用检测中发现，以上方法能够让微波功率小信号检测的精确度平均上升12dB左右，功率检测结果的精确度也可提高0.4dB。

4  結语

微波功率测量仪的灵敏度主要受功率传感器的影响，传感器检测性能的发挥除了要受噪音的干扰外，检测温度、检测时间的变化均会给最终小信号功率的测量值带来一定偏差。为获得最可靠的微波小信号功率检测结果，要对传感器进行优化设计，还要控制其他因素的作用程度，值得做进一步的研究和创新。

参考文献

[1] 冷朋，赵浩.微波功率测量中的小信号检测[J].国外电子测量技术，2017，36（3）：67-69.

[2] 陈振林，崔欣辰.微波同轴小功率计校准因子测量不确定度评定[J].计测技术，2015，35（S1）：229-230，234.