一种便携式射频功率测量模块的设计

吴 维，王亚东

（北京敏视达雷达有限公司，北京 100094）

射频功率是表示射频信号强弱的物理量。在气象雷达日常维修维护中，功率测试非常重要。目前广泛使用的射频功率测量设备是射频功率计，如安立ML2496A、罗德与施瓦茨NRP2、安捷伦N1911A等，在气象雷达日常维修维护的测试中，存在诸多不足：1）不适合随身携带，不利于翻山越岭、披荆斩棘或爬上爬下；2）雷达天线罩内或天线阵下缺少或没有交流电供电，这些仪表“巧妇难为无米之炊”；3）这些昂贵的功率计在实际使用中往往“大材小用”“性价比”偏低。雷达基站和一线维修维护人员希望有一款轻便好用又实惠的射频功率测量设备。

1 目前常用射频功率测量设备介绍

目前广泛使用射频功率计测量射频功率，图1为安立公司ML2496A型射频功率计及其功率探头。

图1 ML2496A型射频功率计及其功率探头Fig.1 ML2496A RF Power meter and its power probe

作为一款通用型产品，该功率计频率覆盖范围从100KHz～65GHz，动态测量范围从-70dBm～+20dBm，支持连续波、射频脉冲信号及调制射频信号的测量[1]。在研发设计领域，这样一款功率计能提供面面俱到的测量能力，但在气象雷达日常维修维护领域，往往做不到物尽其用，并且其4公斤左右的重量，需要交流电供电的特性，以及昂贵的价格和使用成本，都不适合随身携带及野外使用。

2 针对气象雷达的便携式射频功率测量模块的设计

在气象雷达日常维修维护中，“全能型”仪表并不是刚性需求。例如某雷达发射机输入输出功率测试，只要能准确测量1.29GHz频率下的功率数据即可，并不需要高达65GHz的频率测量范围，也不需要90dB的动态测量范围[2]。对于雷达基站和一线维修维护人员而言，功率测量设备的便携性、易用性、经济性也很重要。针对中国气象局常用气象雷达所覆盖的P/L/S频段及相关待测信号特点，专门设计了一款便携式射频功率测量模块，其主要指标参数如下：

1）频率测量范围：10MHz～8GHz

2）功率测量范围：-30dBm～10dBm

3）测量精度：±1.5dB

4）输入阻抗：50Ω

5）射频接口：SMA

2.1 射频功率测量模块硬件电路设计

射频功率测量模块硬件电路设计框图如图2所示。

功率传感器模块ZX47-40+将射频功率转化为直流电压，通过采样保持电路送到STM32L4。该芯片对直流信号进行采样，参考待测信号频率选择结果及环境温度查表并计算得到功率信息，显示在LED屏上。整个模块由电池供电，电路内部又划分出数字电源和低噪声模拟电源两种电源。

2.1.1 射频功率传感器部分

图2 功率计硬件总体设计框图Fig.2 Hardware overall design block diagram of power meter

图3 输入信号功率与输出电压曲线Fig.3 Input signal power and output voltage curve

图4 输入信号频率与驻波特性曲线Fig.4 Input signal frequency and standing wave characteristic curve

射频功率传感器可将射频功率转化为直流电压，采用MINI公司的专用射频功率模块ZX47-40+。该模块主要特性如图3～图6所示[3]。

从图3可以看出，模块ZX47-40+在射频信号输入功率范围为-30dBm～10dBm这个区间内，输出电压具有良好的线性度。从图4可以看出，不同频率的输入信号对应不同的输入驻波比，在实际测量时需要对最终结果做一定补偿。从图5可以看出，当输入信号功率为-30dBm时，环境温度对射频信号功率对应的输出电压有轻微影响，可以考虑进行温度补偿[4]。从图6可以看出，模块ZX47-40+自带温度传感器，同时温度传感器输出电压和实际温度成正比例，这为获取温度数据提供了便利。

图5 输出电压与温度特性曲线Fig.5 Output voltage and temperature characteristic curve

图6 温度输出特性曲线Fig.6 Temperature output characteristic curve

图7 跨导峰值保持电路原理图Fig.7 Schematic diagram of the cross-guided peak retention circuit

2.1.2 高速脉冲信号采样保持部分

高速脉冲信号与慢速A/D变换器之间，需要峰值采样保持电路。普通运放峰值保持电路性能较差，这里采用跨导型运放的峰值保持电路，原理图如图7所示[5]。

其中，MAX436EPD为宽带高速跨导运算放大器，D5是1N4148，为高速开关二极管，C73为100pF的保持电容，THS4631D为FET输入型运放，接成跟随器形式。

2.1.3 供电部分

射频功率测量模块采用9V电池供电，一方面提高了设备适应能力，改善了便携性；另一方面，电池可以近似认为是一种理想直流电源[6]。和采用交流电供电的开关电源相比，电池电压波动小、噪声低，有助于获得更高的测量精度[7]。针对模块中的射频模拟部分和数字电路部分，分别采取了低噪声模拟电源和低噪声数字电源。

2.1.4 其它功能部分

射频功率测量模块功率信号和温度信号A/D采样、屏幕显示、频率选择等部分全部围绕核心芯片STM32L4展开。该芯片基于CORTEX-M4内核，拥有丰富外设及强大的数据处理能力，同时支持超低功耗特性[8]。该芯片利用GPIO接口读取频率选择开关设定，利用内部A/D转换单元将模拟信号转换为数字信号，对所得数据进行查表及运算，再通过USART与外部LED屏幕相连，显示最终结果。基于强大的STM32L4芯片，各功能单元电路简单，结构紧凑。

2.2 射频功率测量模块软件设计

射频功率测量模块软件流程图如图8所示。

基于测量精度的考虑，射频功率测量模块推荐的输入信号功率范围是-30dBm～10dBm，并不是射频功率传感器模块ZX47-40+支持的-50dBm～20dBm。处于推荐功率范围内的信号，射频功率测量模块会给出测量后的结果，超出推荐功率范围外的信号，射频功率测量模块会提示输入信号功率超限，并显示上限超限或下限超限。对处于ZX47-40+可测量功率范围外的信号，需要通过衰减、耦合或放大等措施，先将待测信号调整到允许测量区间内，再进行测试。射频功率测量模块在输入信号功率范围-30dBm～-10dBm区间内，拥有最高的测量精度。

表1 射频连续波信号测试Table 1 RF Continuous wave signal testing

表2 射频脉冲信号测试Table 2 RF Pulse signal testing

图8 射频功率测量模块软件流程图Fig.8 RF Power measurement module software flowchart

3 射频功率测量模块测试及精度提高方法

3.1 射频功率测量模块测试

为验证射频功率测量模块读数的准确性，利用射频信号源输出特定信号提供给射频功率测量模块，对比测量结果与设定值之间的误差。分别进行射频连续波信号和射频脉冲信号测试，脉冲宽度取1us和10us两种规格，数据见表1、表2。

从表1、表2可以看到，射频功率测量模块的数据误差均在±1.5dB以内，满足气象雷达日常维修维护使用需求。

3.2 实际应用时提高测量精度的方法

为提高射频功率测量模块的精度，已经在硬件电路上采取了很多措施，如电源去耦、隔离供电、合理布局、合理布线、壳体屏蔽等[9]。软件上，也加入了数字滤波、误差补偿、非线性区间曲线拟合等措施[10]。在实际使用中，针对经常要测量的信号，为提高精度，可以建立对应的数据库。譬如在模块调试时，针对某一待测信号，先编号，再用射频信号源模拟出不同功率的此信号，输入功率测量模块并读数，建立该待测信号直流电压测量值与信号实际功率的对应数据表。实际测量时，通过待测信号频率选择开关告知电路板此信号编号，电路板就会在测量完毕后调用此信号对应的数据表，查找并计算出这个信号的功率。调试时数据表建立的越详细，实际测量时精度越高。可以针对不同待测信号建立不同的数据表，形成数据库。

4 小结

和动辄几万、十几万的国外射频功率计相比，本射频功率测量模块小巧轻便，成本低廉，满足气象雷达日常维修维护测量精度要求。实际使用中，受到了一线维修维护人员的肯定。相同的思路，通过更换功率传感器，譬如将ZX47-40+模块更换为ADI公司的ADL5906电路，本射频功率测量模块还可以拓展更宽的频率测量范围，实现更广泛的应用。