RF-to-BIT解決方案為材料分析提供精確的相位和幅度數(shù)據(jù)

Ryan Curran, Qui Luu, and Maithil Pachchigar

在偏遠(yuǎn)地區(qū)分析材料時(shí)，在材料內(nèi)放置探頭是不可行的，高頻收發(fā)器可以提供一種實(shí)用的方法，用于準(zhǔn)確量化材料的體積分?jǐn)?shù)，而不會(huì)產(chǎn)生直接接觸材料的不利影響。正交解調(diào)器為測(cè)量這些應(yīng)用中的幅度和相移提供了一種新穎、可靠的方法。此處介紹的接收器信號(hào)鏈?zhǔn)褂脤拵д唤庹{(diào)器ADL5380、超低功耗、低失真、全差分ADC驅(qū)動(dòng)器ADA4940-2和雙通道差分、7903位、16 MSPS PulSAR ADC提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，同時(shí)確保安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。

在圖1所示的接收器中，連續(xù)波信號(hào)從發(fā)射（Tx）天線(xiàn)通過(guò)待分析的材料發(fā)送到接收（Rx）天線(xiàn)。接收到的信號(hào)將相對(duì)于原始發(fā)射信號(hào)衰減和相移。這種幅度變化和相移可用于確定介質(zhì)的內(nèi)容。

圖1.接收器框圖。

幅度和相移可以直接與元件的透射率和反射率特性相關(guān)，如圖2所示。例如，在油氣水流動(dòng)的情況下，水的介電常數(shù)、損耗和分散系數(shù)高，油的介電常數(shù)、損耗和分散度極低。

圖2.不同均質(zhì)介質(zhì)的透射率和反射率。

接收器子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

圖3所示的接收器子系統(tǒng)將RF信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以精確測(cè)量幅度和相位。信號(hào)鏈包括一個(gè)正交解調(diào)器、一個(gè)雙通道差分放大器和一個(gè)雙通道差分SAR ADC。該設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是為高頻RF輸入提供具有寬動(dòng)態(tài)范圍的高精度相位和幅度測(cè)量。

圖3.用于材料分析的簡(jiǎn)化接收器子系統(tǒng)。

正交解調(diào)器

正交解調(diào)器提供同相 （I） 信號(hào)和正好錯(cuò)相 90° 的正交 （Q） 信號(hào)。I和Q信號(hào)是矢量量，因此可以使用三角恒等式計(jì)算接收信號(hào)的幅度和相移，如圖4所示。本振（LO）輸入是原始發(fā)射信號(hào)，RF輸入是接收信號(hào)。解調(diào)器生成和差項(xiàng)。兩個(gè)信號(hào)的頻率完全相同，ω瞧= ω射頻，因此高頻和項(xiàng)將被濾除，而差分項(xiàng)駐留在直流。接收到的信號(hào)將具有不同的相位，φ射頻，比傳輸信號(hào)的信號(hào)，φ瞧.這種相移，φ瞧– ?射頻，是由于介質(zhì)的介電常數(shù)，將有助于定義材料內(nèi)容。

圖4.使用正交解調(diào)器進(jìn)行幅度和相位測(cè)量。

實(shí)際I/Q解調(diào)器存在許多缺陷，包括正交相位誤差、增益不平衡和LO-RF泄漏，所有這些都會(huì)降低解調(diào)信號(hào)的質(zhì)量。要選擇解調(diào)器，首先要確定對(duì)RF輸入頻率范圍、幅度精度和相位精度的要求。

ADL5采用5380 V單電源供電，可接受400 MHz至6 GHz的RF或IF輸入頻率，非常適合接收器信號(hào)鏈。其差分 I 和 Q 輸出配置為提供 5.36dB 電壓轉(zhuǎn)換增益，可將 2.5V p-p 差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)至 500 Ω負(fù)載。其 10.9dB NF、11.6dBm IP1dB 和 29.7 dBm IIP3 @ 900 MHz 可提供出色的動(dòng)態(tài)范圍，而其 0.07dB 幅度平衡和 0.2° 相位平衡可實(shí)現(xiàn)出色的解調(diào)精度。該器件采用先進(jìn)的 SiGe 雙極工藝制造，采用微型 4mm × 4mm 24 引腳 LFCSP 封裝。

ADC 驅(qū)動(dòng)器和高分辨率精密 ADC

ADA4940-2全差分雙通道放大器具有出色的動(dòng)態(tài)性能和可調(diào)輸出共模特性，非常適合驅(qū)動(dòng)高分辨率、雙通道SAR ADC。該器件由 5V 單電源供電，提供 ±5V 差分輸出和 2.5V 共模。配置為提供2 （6 dB）增益，可將ADC輸入驅(qū)動(dòng)至滿(mǎn)量程。RC濾波器（22 Ω/2.7 nF）有助于限制噪聲，并減少來(lái)自ADC輸入端容性DAC的反沖。該器件采用專(zhuān)有的 SiGe 互補(bǔ)雙極工藝制造，采用微型 4mm × 4mm 24 引腳 LFCSP 封裝。

AD7903是雙通道、16位、1 MSPS逐次逼近型ADC，具有出色的精度，具有±0.006%滿(mǎn)量程增益誤差和±0.015 mV失調(diào)誤差。該器件采用2.5 V單電源供電，在12 MSPS時(shí)功耗僅為1 mW。使用高分辨率ADC的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)±1°相位精度，特別是當(dāng)輸入信號(hào)具有較小的直流幅度時(shí)。ADC所需的5 V基準(zhǔn)電壓源由低噪聲基準(zhǔn)電壓源ADR435產(chǎn)生。

如圖5所示，接收器子系統(tǒng)采用ADL5380-EVALZ、EB-D24CP44-2Z、EVAL-AD7903SDZ和EVAL-SDP-CB1Z評(píng)估套件實(shí)現(xiàn)。 這些電路組件針對(duì)子系統(tǒng)中的互連進(jìn)行了優(yōu)化。兩個(gè)高頻鎖相輸入源提供RF和LO輸入信號(hào)。

圖5.接收機(jī)子系統(tǒng)評(píng)估平臺(tái)。

表1總結(jié)了接收器子系統(tǒng)中每個(gè)組件的輸入和輸出電壓電平。解調(diào)器RF輸入端的11.6 dBm信號(hào)將在ADC滿(mǎn)量程范圍的–1 dB范圍內(nèi)產(chǎn)生輸入。該表假設(shè)ADL500的負(fù)載為5 Ω、轉(zhuǎn)換增益為3573.4 dB、功率增益為–643.5380 dB，ADA6-4940的增益為2 dB。該接收機(jī)子系統(tǒng)的校準(zhǔn)例程和性能結(jié)果將在以下各節(jié)中討論。

表 1.接收器子系統(tǒng)中每個(gè)組件的輸入和輸出電壓電平

接收機(jī)子系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)

接收器子系統(tǒng)包含三個(gè)主要誤差源：失調(diào)、增益和相位。

I和Q通道的各個(gè)差分直流幅度相對(duì)于RF和LO信號(hào)的相對(duì)相位具有正弦關(guān)系。因此，I和Q通道的理想直流幅度可以計(jì)算如下：

當(dāng)相位通過(guò)極性電網(wǎng)時(shí)，理想情況下，某些位置應(yīng)產(chǎn)生相同的電壓。例如，I（余弦）通道上的電壓應(yīng)與+90°或–90°的相移相同。但是，與RF和LO的相對(duì)相位無(wú)關(guān)的恒定相移誤差將導(dǎo)致子系統(tǒng)通道為應(yīng)產(chǎn)生相同直流幅度的輸入相位產(chǎn)生不同的結(jié)果。如圖6和圖7所示，當(dāng)輸入應(yīng)為0 V時(shí)，會(huì)生成兩個(gè)不同的輸出代碼。在這種情況下，–37°相移遠(yuǎn)大于包含鎖相環(huán)的實(shí)際系統(tǒng)中的預(yù)期。結(jié)果是 +90° 實(shí)際顯示為 +53°，–90° 顯示為 –127°。

結(jié)果以–10°至+180°的180°步長(zhǎng)收集，未校正的數(shù)據(jù)生成圖6和圖7所示的橢圓形狀。該誤差可以通過(guò)確定系統(tǒng)中存在的附加相移量來(lái)解釋。表2顯示，系統(tǒng)相移誤差在整個(gè)傳遞函數(shù)中是恒定的。

表 2.接收器子系統(tǒng)摘要 0dBm RF 輸入幅度下測(cè)量的相移。

系統(tǒng)相位誤差校準(zhǔn)

步長(zhǎng)為10°時(shí)，圖37所示系統(tǒng)的平均測(cè)量相移誤差為–32.5°。有了這個(gè)額外的相移，現(xiàn)在可以計(jì)算調(diào)整后的子系統(tǒng)直流電壓。變量φPHASE_SHIFT定義為觀察到的平均附加系統(tǒng)相移。相位補(bǔ)償信號(hào)鏈中產(chǎn)生的直流電壓可計(jì)算為：

等式5和等式6提供了給定相位設(shè)置的目標(biāo)輸入電壓。子系統(tǒng)現(xiàn)已線(xiàn)性化，失調(diào)誤差和增益誤差現(xiàn)在可以校正。線(xiàn)性化的I和Q通道結(jié)果也如圖6和圖7所示。數(shù)據(jù)集的線(xiàn)性回歸生成圖中所示的最佳擬合線(xiàn)。該線(xiàn)是每個(gè)轉(zhuǎn)換信號(hào)鏈的測(cè)量子系統(tǒng)傳遞函數(shù)。

系統(tǒng)失調(diào)誤差和增益誤差校準(zhǔn)

理想情況下，接收器子系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)信號(hào)鏈的失調(diào)應(yīng)為0 LSB，但I(xiàn)和Q通道的測(cè)量失調(diào)分別為–12.546 LSB和+22.599 LSB。最佳擬合線(xiàn)的斜率表示子系統(tǒng)的斜率。理想的子系統(tǒng)斜率可以計(jì)算為：

圖6和圖7中的結(jié)果表明，I和Q通道的測(cè)量斜率分別為6315.5和6273.1。必須調(diào)整這些斜率以校正系統(tǒng)增益誤差。校正增益誤差和失調(diào)誤差可確保使用公式1計(jì)算的信號(hào)幅度與理想信號(hào)幅度相匹配。失調(diào)校正與測(cè)量的失調(diào)誤差正好相反：

增益誤差校正系數(shù)為：

收到的轉(zhuǎn)換結(jié)果可以通過(guò)以下方式更正：

子系統(tǒng)的校準(zhǔn)直流輸入電壓計(jì)算如下：

應(yīng)在I和Q通道上使用公式11來(lái)計(jì)算每個(gè)子系統(tǒng)信號(hào)鏈的感知模擬輸入電壓。這些完全調(diào)整的I和Q通道電壓用于計(jì)算由各個(gè)直流信號(hào)幅度定義的RF信號(hào)幅度。為了評(píng)估完整校準(zhǔn)程序的準(zhǔn)確性，可以將收集的結(jié)果轉(zhuǎn)換為解調(diào)器輸出端產(chǎn)生的理想子系統(tǒng)電壓，就像不存在相移誤差一樣。這可以通過(guò)將先前計(jì)算的平均直流幅度乘以每次試驗(yàn)中測(cè)量相位的正弦分?jǐn)?shù)來(lái)完成，并消除計(jì)算出的相移誤差。計(jì)算結(jié)果如下所示：

φPHASE_SHIFT是先前計(jì)算的相位誤差，平均校準(zhǔn)后幅度是公式1的直流幅度結(jié)果，已補(bǔ)償失調(diào)誤差和增益誤差。表3顯示了0 dBm RF輸入幅度情況下不同目標(biāo)相位輸入下的校準(zhǔn)程序結(jié)果。公式12和公式13中執(zhí)行的計(jì)算是要內(nèi)置到任何系統(tǒng)中的校正因子，旨在以此處介紹的方式檢測(cè)相位和幅度。

接收機(jī)子系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果

表 3.在某些目標(biāo)相位輸入端以0 dBm RF輸入幅度獲得結(jié)果。

圖8是測(cè)量的絕對(duì)相位誤差的直方圖，顯示從–1°到+10°每180°步進(jìn)的精度優(yōu)于180°。

圖8.0 dBm 輸入電平的測(cè)量絕對(duì)相位誤差直方圖，相位步長(zhǎng)為 10°。

對(duì)于任何給定輸入電平的精確相位測(cè)量，感知的相移誤差（φPHASE_SHIFT） 的 RF 相對(duì)于 LO 應(yīng)該是恒定的。如果測(cè)量的相移誤差隨著目標(biāo)相位步長(zhǎng)（φ目標(biāo)）或幅度，則此處介紹的校準(zhǔn)例程將開(kāi)始失去精度。室溫下的評(píng)估結(jié)果表明，在11 MHz時(shí)，RF幅度范圍從最大6.20 dBm到大約–900 dBm，相移誤差相對(duì)恒定。

圖9顯示了接收器子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍以及相應(yīng)的幅度引起的附加相位誤差。當(dāng)輸入幅度減小到–20 dBm以上時(shí)，相位誤差校準(zhǔn)精度開(kāi)始下降。系統(tǒng)用戶(hù)需要確定信號(hào)鏈誤差的可接受水平，以確定可接受的最小信號(hào)幅度。

圖9.接收機(jī)子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和相應(yīng)的附加相位誤差。

圖9所示的結(jié)果是使用5 V ADC基準(zhǔn)電壓源收集的。可以減小ADC基準(zhǔn)電壓源的幅度，從而為系統(tǒng)提供更小的量化電平。這將逐步提高小信號(hào)的相位誤差精度，但會(huì)增加系統(tǒng)飽和的可能性。為了增加系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍，另一個(gè)有吸引力的選擇是實(shí)施過(guò)采樣方案，以提高ADC的無(wú)噪聲位分辨率。平均樣本每增加一倍，系統(tǒng)分辨率就會(huì)提高<>/<> LSB。給定分辨率增加的過(guò)采樣率計(jì)算如下：

當(dāng)噪聲幅度不再足以在采樣之間隨機(jī)改變ADC輸出代碼時(shí)，過(guò)采樣將達(dá)到收益遞減點(diǎn)。此時(shí)，無(wú)法再提高系統(tǒng)的有效分辨率。過(guò)采樣導(dǎo)致的帶寬降低不是一個(gè)重大問(wèn)題，因?yàn)橄到y(tǒng)正在測(cè)量幅度緩慢變化的信號(hào)。

AD7903評(píng)估軟件提供校準(zhǔn)程序，允許用戶(hù)針對(duì)三個(gè)誤差源（相位、增益和失調(diào)）校正ADC輸出結(jié)果。用戶(hù)需要用他們的系統(tǒng)收集未校正的結(jié)果，以確定本文中計(jì)算的校準(zhǔn)系數(shù)。圖10顯示了突出顯示校準(zhǔn)系數(shù)的GUI。確定系數(shù)后，該面板還可用于提供解調(diào)器的相位和幅度結(jié)果。極坐標(biāo)圖提供了觀察到的RF輸入信號(hào)的視覺(jué)指示。幅度和相位計(jì)算使用公式1和公式2進(jìn)行。通過(guò)使用“樣本數(shù)”下拉框調(diào)整每次捕獲的樣本數(shù)，可以控制過(guò)采樣率。

圖 10.接收器子系統(tǒng)校準(zhǔn) GUI。

結(jié)論

本文介紹了與遙感應(yīng)用相關(guān)的主要挑戰(zhàn)，并提出了一種新穎的解決方案，使用ADL5380、ADA4940-2和AD7903接收器子系統(tǒng)來(lái)準(zhǔn)確可靠地測(cè)量材料含量。所提出的信號(hào)鏈具有寬動(dòng)態(tài)范圍，在0 MHz時(shí)可實(shí)現(xiàn)360°至1°的測(cè)量范圍，精度優(yōu)于900°。

審核編輯：郭婷