信号发生装置中功率校准方法优化研究综述

中电科思仪科技股份有限公司 齐彦君

随着电子技术的发展，电子设备中接收机性能综合评价要求信号发生装置具有更宽的频率覆盖范围、更高的小信号质量。传统的功率校准方法已无法适应信号发生装置的生产制造要求，设计高效、精确的功率校准方法成为亟待解决的重要问题。本文提出了几种针对信号发生装置功率校准的优化方法，不但缩短了功率校准所需的时间，而且提高了功率校准精度。

作为电子系统中必不可少的关键组成部分，信号发生装置主要用来提供信号激励和信号模拟，广泛应用在雷达、卫星通信系统、电子对抗系统及遥测传感系统当中，随着高性能接收机频率覆盖范围的扩展，要求信号发生装置具有更宽的频率覆盖范围，更高的功率准确度。

信号发生装置信号输出端依靠110dB步进衰减器和自动电平控制电路决定信号的输出功率范围，110dB步进衰减器提供粗功率衰减，ALC电路提供精细的功率电平调整，使得端口输出精确的振幅电平。输出功率准确度由自动电平控制稳幅电路、110dB衰减器等硬件本身的特性以及软件对输出功率的校准来共同决定。本文主要针对通过软件方式实现输出功率校准进行研究。

随着微电子技术和计算机技术的发展，自动校准技术已经在电子测量仪器领域得到广泛应用，但是目前还只是以简单实现满足信号发生装置输出功率技术指标要求为主要目的，没有对功率校准进行深入研究，校准的效率及精度相对比较差，或者精度比较高但是校准时间特别长，效率极低，可生产性较差。本文提出了针对信号发生装置功率校准的优化方法，不但缩短了功率校准所需的时间，而且提高了功率校准精度。

1 研究现状

由于信号发生装置在不同频率下，其输出特性并不一致。为了达到在不同的工作频率下，能输出稳定的功率，则必须进行功率校准。功率校准主要包括两个部分ALC环路功率校准（110dB步进衰减器直通状态下）和110dB步进衰减器差值校准。

ALC环路功率校准通过调整ALC环路DAC值对输出功率进行校准，具体校准步骤如下：校准开始，设定好校准频点，同时设置需要校准的功率值（比如0dBm）以后，然后开始向D/A转换器依次发送DAC控制字，功率计会测出信号装置输出功率值，直到测出的功率值与需要校准的功率值的差值在结束条件的范围内（比如±0.05dB），然后记录校准频点、DAC值和校准功率值，接下来更换需要校准的功率值，重复以上操作，直到所有需要校准的功率值校准完成，则当前频点校准结束，校准程序自动切换到下一个校准频点，重复以上操作，直至整个信号发生装置校准过程结束，校准数据会以二进制文件的形式保存。

110dB步进衰减器差值校准。110dB步进衰减器分成几个挡片，在工作时每个挡片实际衰减值和理论衰减值有差值，为了保证小功率信号的准确性，需要对110dB衰减器进行校准。具体校准步骤如下：首先，设置ALC环路的DAC值为固定值，一般选择0dBm对应的DAC值，同时设置所有衰减挡片为直通状态，读取功率计的值记为基础功率P0，然后分别设置各个衰减挡片为衰减后，读取功率计的值记为Pi，各衰减挡片的理论衰减值为Ai，则每个衰减挡片的差值为：Ai-（P0-Pi），则当前频点校准结束，校准程序自动切换到下一个校准频点，重复以上操作，直至整个信号发生装置校准过程结束，形成衰减器校准数据文档，以二进制形式存放在本地磁盘。

目前功率校准存在的问题：（1）ALC环路功率校准误差，因为在校准ALC环路功率时，需要设置结束条件（比如δ为±0.05dB），会引入最大2δ的校准误差；（2）校准时间长，目前信号发生装置的频率覆盖范围已经扩展到50GHz甚至更高频率，功率校准花费的时间非常长，初步估算按照20MHz步进进行校准，需要校准2501个频点，每个频点的校准时间大约为6s，这样计算后每台仪器功率校准的时间为15006s，大约4h，时间非常长；（3）小功率准确度差，现有110dB衰减器校准的理论依据是，当多个挡片同时使用时，衰减器的偏差值等于每个衰减挡片偏差值的和，但是实际存在偏差，特别是随着频率的增大，偏差会越来越大。针对以上问题，需要研究信号发生装置中快速高精度的功率校准方法。

2 功率校准优化方法

由于信号发生装置需要批量化生产，降低功率校准时间和提升功率校准准确度成为信号发生装置生产过程中急需解决的问题。首先,针对信号发生装置的特性进行分析，然后,根据目前功率校准存在的问题列表进行深入研究，提出几种优化功率校准的方法，相互配合实现信号发生装置功率校准时间降低和准确度提升。

2.1 二次功率补偿和ALC环路DAC值固定方法

随着微电子技术的发展和测量仪器硬件设计水平的提高，硬件电路一致性越来越好，通过对多台信号发生装置功率校准的数据进行分析，得出以下结论：（1）不同仪器的相同频率点的DAC值的线性度基本一致；（2）不同仪器在同一个校准频点、同一个校准功率的DAC值的差值比较小，转换成功率最大偏差大概在2～3dB左右。

基于以上分析得到的结论以及ALC环路功率校准误差，我们提出一种固定ALC环路DAC值和二次功率补偿的方法。具体思路：（1）获取ALC环路固定DAC值：针对信号发生装置，我们以20MHz为步进或者更小的频率步进值对某一台信号发生装置进行ALC环路功率校准，并把校准得到的ALC环路DAC值存储下来，作为每台信号发生装置的校准基础值，该校准值只需要每一批次生产的信号发生装置校准一次即可，这样就可以节省大量的校准时间；（2）获取二次功率补偿数据：每台信号发生器装置增加二次功率补偿，即记录不同频点、不同功率值调用步骤（1）中固定的DAC值后与理论的功率值之间的差值；（3）使用二次补偿数据：当设置频率f和功率值P后，主机软件首先根据二次功率补偿数据获得该频率和功率设置值的功率偏差值ΔP，然后调整用户设置的功率值为P+ΔP，最后通过固定的ALC环路DAC值和实际功率值，得到实际的DAC值，达到ALC环路功率精确输出的目的。

通过该方法，首先ALC环路DAC值校准时需要多次调整DAC值才能得到最终的DAC值，二次功率补偿只需读取一次该固定DAC值下实际的功率值，因此，固定ALC环路DAC值增加二次功率补偿可以大大降低校准时间，针对50GHz的信号发生装置校准时间可以降低为原来的25%；同时，虽然在固定的ALC环路DAC值中仍然存在最大2δ的校准误差，但是通过二次功率补偿获得的偏差值已经把该校准误差包含在内，因此，通过二次功率补偿方法可以提高功率校准的精度。

2.2 衰减器二次补偿方法

通过对多台信号发生装置使用衰减器校准数据后的实际输出功率值进行分析，得出以下结论：（1）在使用衰减器90dB之内时，小信号功率偏差比较小；（2）当使用衰减器大于90dB时，小信号功率偏差开始变大。

基于以上分析得到的结论以及小功率准确度差，我们提出一种衰减器二次功率补偿的方法。具体思路：（1）设置固定DAC值，一般选0dBm对应的DAC值；（2）设置衰减器为直通状态下，通过频谱仪读取功率值，记为P0，设定直通时，二次补偿值为0；（3）设置衰减器衰减90dB后，通过频谱仪读取功率值，记为P90，则90dB衰减的补偿值为P0 - P90 -90，90dB以内的二次补偿值通过线性插值的方法获取；（4）设置衰减器衰减110dB后，通过频谱仪读取功率值，记为P110，则110dB衰减的补偿值为P0 - P110 -110，90dB到110dB之间的衰减器二次补偿值通过线性插值方法获取；（5）使用衰减器二次补偿数据：当设置频率f和功率值P后，主机软件首先根据衰减器二次功率补偿数据获得该频率和衰减器值的衰减器二次补偿值ΔPatt，然后调整用户设置的功率值为P+Patt，最后通过固定的ALC环路DAC值和实际功率值，得到实际的DAC值，达到小功率精确输出的目的。

2.3 多线程校准方法

以上两种方法是通过分析硬件特性获取的优化方法，接下来我们从软件的角度去优化校准方法。通过对校准流程的研究发现，我们每次在设置完信号发生装置的参数需要等待几百毫秒，实现信号发生装置信号稳定以及功率计和频谱仪测量值稳定。这几百毫秒的等待时间中，我们可以充分利用。

基于以上分析得到的结论，我们结合多线程技术，提出了一种多线程校准方法用于多台仪器同时校准，该方法适合于多种校准功能，不只是功率校准。该方法的具体思路：（1）在校准软件中添加校准仪器管理模块，当有仪器需要校准时，就创建一个线程用于该仪器的校准；（2）增加校准线程管理模块，用于管理多台仪器的校准，当其中一台校准仪器处于等待过程时，去设置另外一台仪器的参数，依次类推，达到多台仪器同时校准，充分利用校准等待时间的目标。该方法适用于信号发生装置批量生产过程。

结束语：传统的功率校准方法，虽然可以满足信号发生装置输出功率技术指标要求，但是校准效率较低、校准的准确度也不高。本文提出的几种功率校准的优化方法，不但缩短了功率校准所需的时间，而且提高了功率校准精度。下一步的工作将进一步分析校准流程和硬件特性，结合人工智能、机器学习等新兴技术，寻找新的功率校准优化方法。