CN0387 免校準回損測量系統(tǒng)

CN0387 如前所述，本電路使用帶連接器的寬帶定向耦合器是為了展示其在盡可能寬的頻率范圍內(nèi)的工作情況。也可使用表貼式定向耦合器或印刷電路定向耦合器；但這些器件一般具有較窄的頻率范圍。 也可使用耦合因子較高的定向耦合器，這類耦合器的插入損耗一般較低。但我們建議要注意電路的尺寸，以實現(xiàn)測量范圍的最大化。例如，如果最大系統(tǒng)功率為+35 dBm，則使用一個20 dB的定向耦合器會使檢波器的最大功率設(shè)為約+15 dBm，這已是輸入范圍的上限。 設(shè)備要求 若要進行本電路筆記中所描述的評估，需要如下設(shè)備： EV-VSWR-SDZ評估板。 一個適當額定值的寬帶RF耦合器。本評估使用的是Marki Microwave C10-0226。但可以使用規(guī)格合適并且?guī)?.5 mm SMA型連接器的任意耦合器。 EVAL-SDP-CB1Z SDP-B板。 一個信號發(fā)生器(輸出頻率范圍為500 MHz至28 GHz)。 一個合適的電源單元，輸出電壓為6 V dc。 CN-0387評估軟件，可從ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0387/下載。 一個SMA衰減器和50 端接。 一臺運行Windows? 7的電腦，并通過USB線與SDP-B板相連(隨EVAL-SDP-CB1Z一起提供)。 設(shè)置與測試 為了設(shè)置和測試VSWR測量系統(tǒng)，要把LK6設(shè)為B位，把LK22放到位，然后執(zhí)行下列步驟： 開啟所有測試設(shè)備，等待所有設(shè)備引導完畢。 用適當額定值的RF線，把RF耦合器的輸入和輸出耦合端口分別接到評估板的RF1和RF2 3.5 mm SMA連接上。 把耦合器輸入端口連接到信號發(fā)生器的50 輸出端。 把耦合器的輸出端連接到一個50 端接或額定值合適的RF衰減器端接上。 把EVAL-SDP-CB1Z SDP接口板連接到EV-VSWR-SDZ評 估板。 通過提供的USB線把SDP接口板連接到電腦。 把電源從DC電源連接到評估板香蕉插槽的電源和接 地端。 把CN-0387評估軟件下載并安裝到與SDP-B控制板相連 的電腦上。 正確安裝軟件后，運行可執(zhí)行文件。 把信號發(fā)生器的輸出頻率設(shè)為2 GHz，把功率水平設(shè)為 15 dBm輸出。然后開啟信號發(fā)生器的輸出。 在軟件顯示中，選擇連續(xù)，然后單擊捕獲。軟件會連 續(xù)重復測量；當收集到每個測量結(jié)果時，GUI顯示將更 新回損值和相應的VSWR和反射系數(shù)值。 測試設(shè)置的功能框圖 圖10所示為測試設(shè)置的功能框圖。 ? 圖10. 測試設(shè)置功能框圖 ? 測試結(jié)果 通過調(diào)節(jié)RF輸入功率水平手動收集測量結(jié)果。不同輸出配置中的回損是在ADL6010的功率范圍內(nèi)測量的。 同時還用Keysight高級設(shè)計系統(tǒng)(ADS)運行RF仿真。該軟件是一款面向RF和微波應用的電子設(shè)計仿真工具。仿真是為了驗證RF輸入走線插入損耗和反射是否處于特定限值范圍以內(nèi)，同時模擬定向耦合器的性能。 Marki Microwave C10-0226定向耦合器提供了一個仿真模型文件，即.s4p文件。該文件中的信息描述了耦合器的S參數(shù)，在ADS中可以方便地用于仿真目的。在DC至耦合器26.5 GHz的頻率上限范圍內(nèi)進行仿真，每次仿真時，輸入功率均設(shè)為0 dBm。 回損測量 在測試EV-VSWR-SDZ評估板時，將一個9 dB的衰減器端接連接到耦合器輸出端，以驗證與仿真結(jié)果相比，是否能在選定頻率下測得預期衰減水平。 ? 圖11. 回損測量? 如圖11所示，在0 dBm至25 dBm的輸入功率范圍內(nèi)，測得的回損保持在20 dB，幾乎不變。該值為前述正向和反向衰減(9 dB + 9 dB)與耦合器在2 GHz下用Marki Microwave C10-0226時的正向插入損耗之和。在正向耦合端口的輸入功率達到約27 dBm之后，回損會顯著減小。之所以會減小是因為正向耦合端口的耦合功率接近+15 dBm(10 dB耦合)，此為ADL6010的功率上限。隨著輸入功率減小，測得回損會開始減小，因為反向耦合端口的反射功率降至?30 dBm的下限以下。圖11所示為ADL6010可以測量20 dB回損的功率范圍。 功率檢波器測得功率 ? 圖12. 輸入功率與測得耦合輸出功率 ? 圖12展示了測得功率隨輸入功率而變化的情況。在每個功率水平下，在2 GHz條件下執(zhí)行一個校準例程，以取得正向耦合端口的準確功率測量值。隨著輸入功率的增加，測得功率將達到檢波器的限值，即15 dBm。類似地，隨著輸入功率的減小，會達到檢波器的下限，測量精度會隨之下降。 開路配置 ? 圖13. 耦合器正向和反向功率與頻率的關(guān)系——開路 ? 圖13表明，當正向和反向功率水平的值接近時，回損接近0 dB，與前面提到的50 端接情況不同。 該開路仿真展示了信號主體是如何通過相反方向的耦合器反射回正向波的。正向波與反射波之差由耦合器在頻率范圍內(nèi)的插入損耗導致。此圖表明，確切的回損與VSWR測量值會隨所用耦合器而變化，原因是耦合器阻抗在頻率范圍內(nèi)的匹配不理想。 另外，可以設(shè)置一個閾值回損，以指示系統(tǒng)中是否發(fā)生了失配且失配遠遠大于耦合器回損。 50 輸出端接電路配置 ? 圖14. 耦合器正向和反向功率與頻率的關(guān)系——50 端接 ? 圖14展示了Marki Microwave C10-0226 RF耦合器在50 端接輸出條件下的正向插入損耗和反射信號，其中，0 dBm的功率水平被施加于耦合器正向端口。耦合器的額定工作頻率范圍為2 GHz至26.5 GHz。因此，在圖14中，不出所料，當頻率超過2 GHz時，耦合器開始工作。仿真中，在耦合器上使用了一條匹配完善的傳輸線路，其輸出阻抗為50 。任意頻率下的回損為正向與反向功率之差。此圖表明，回損隨頻率變化。然而，在該頻率范圍內(nèi)，回損接近20 dB，這是可以接受的，因為回損值大于20 dB時，可以忽略不計。 3 dB輸出衰減器電路配置 ? 圖15. 耦合器正向和反向功率與頻率的關(guān)系——3 dB衰減 ? 在圖15中，回損在6 dB至約15 GHz的范圍內(nèi)相對穩(wěn)定，在此之后，耦合器損耗增加，衰減提高。 ? 圖16. 帶6 dB衰減的耦合器 ? 6 dB衰減的原因在于，3 dB耦合器會使入射信號和反射信號同時衰減3 dB。如圖16所示，信號先在正向衰減3 dB，然后反射并再次衰減3 dB。測得的反射信號為正向和反射衰減累計結(jié)果。 校準結(jié)構(gòu)走線插入損耗 RF走線插入損耗是用EV-VSWR-SDZ評估板的布局文件仿真的。把該布局文件導入ADS工具以運行仿真，以確定板上RF走線的損耗。 ? 圖17. 校準結(jié)構(gòu) ? 仿真中使用了圖17在評估板部分顯示的校準結(jié)構(gòu)。在評估板設(shè)計中納入該結(jié)構(gòu)是為了測量從SMA連接器到開關(guān)的損耗(距離A)。如圖所示，校準結(jié)構(gòu)的長度剛好為從RF1/RF2到HMC547開關(guān)(U10)的距離的兩倍。為了在特定頻率下測量這些RF走線損耗，把信號施加到一個校準結(jié)構(gòu)連接器上，然后再在相反方向的連接器上測量。 在從DC至26.5 GHz的范圍內(nèi)，在該結(jié)構(gòu)上運行ADS仿真工具，以模擬RF直線的插入損耗。 ? 圖18. 校準結(jié)構(gòu)損耗——頻率與功率 ? 如圖18所示，校準結(jié)構(gòu)的插入損耗在26.5 GHz頻率下會達到最大衰減值，即約?0.4 dB。 一般認為該插入損耗處于評估板可接受的限值范圍以內(nèi)。如果該插入損耗較大，結(jié)果會限制測量結(jié)果。 圖19為與EVAL-SDP-CB1Z板相連的EV-VSWR-SDZ的照片。 面向HMC547LC3的一款電氣等效更換器件將于2016年6月上市。 ? 圖19. EV-VSWR-SDZ板連接至EVAL-SDP-CB1Z板 ? 使一個在1 GHz至28 GHz范圍內(nèi)的RF信號通過一個RF耦合器(Marki Microwave C10-0226)，饋送至一個匹配的50 負載或天線，如圖1所示。正向和反向耦合端口連接至HMC547，后者為一款單刀雙擲(SPDT)非反射式開關(guān)。開關(guān)輸入在正向與反向耦合端口之間切換，同時在50 時端接相反端口，如此，兩個耦合端口總會看到一個50 的負載。 RF開關(guān)的輸出端口驅(qū)動ADL6010，這是一款微波RF檢波器，工作頻率范圍為500 MHz至43.5 GHz。檢波器的輸出電壓與輸入信號的幅度成正比。ADL6010是一款線性V/V檢波器，其標稱斜率為2.1 V/V。 AD7091R 12位ADC以1 MSPS的速率對功率檢波器輸出電壓采樣。(也可使用較低的采樣速率，結(jié)果會降低ADC中的功耗)。 AD7091R把模擬電壓轉(zhuǎn)換為一個數(shù)字代碼。然后，EVALSDP-CB1Z (SDP-B)接口板用串行外設(shè)接口(SPI)通信來控制ADC，并把結(jié)果發(fā)送到電腦上，以便進行系統(tǒng)評估和回損計算。然后，用ADC采樣的正向耦合電壓與反向耦合電壓之比計算VSWR、回損和反射系數(shù)。 回損計算 下列推導式展示了正向與反向電壓之比以與系統(tǒng)回損之間的關(guān)系。這種關(guān)系對系統(tǒng)的免校準特性起著關(guān)鍵作用。 檢波器在其線性工作區(qū)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以用眾所周知的直線等式來表示： 其中： m為斜率。 c為截距。 用真實電路參數(shù)， 如前所述，m標稱值為2.1，但可能因頻率和器件而異。c的值通常接近零。 用VIN改寫等式1， 把等式轉(zhuǎn)換為功率， 然后轉(zhuǎn)換為dBm， 如果包括ADC，則等式變?yōu)? 其中： m'為檢波器和ADC組合信號鏈的斜率。 c'為檢波器和ADC組合信號鏈的截距。 回損為正向與反向功率之差，單位為dBm： 由于c'接近零且CODEF和CODER一般遠遠大于c'，所以，公式可簡化為 本節(jié)的推導表明，無需校準即可計算回損，因為公式不包括信號鏈的斜率(m')或截距(c')。 RF開關(guān) HMC547是一款非反射式SPDT RF開關(guān)，頻率范圍為DC至28 GHz。如圖2框圖中所示，開關(guān)會在50 時在內(nèi)部端接任一輸入，同時，另一個輸入則饋入RFC輸出。開關(guān)的快速開關(guān)時間一般為6 ns。開關(guān)的A和B邏輯輸入由?5 V高電平和0 V低電平負電壓邏輯控制。HMC547數(shù)據(jù)手冊中包括一種推薦的控制電路。該電路由一個驅(qū)動74LV04AD逆變器的5.1 V齊納二極管電平轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。逆變器的供電電壓范圍為?5 V至0 V，而非0 V至+5 V。完整的電源電路見CN-0387設(shè)計支持包中的詳細原理圖， 網(wǎng)址: www.analog.com/CN0387-DesignSupport. 圖2. HMC547俯視圖 ? 功率檢波器 ADL6010功率檢波器具有線性V/V特性，這是本應用的關(guān)鍵。為驅(qū)動該器件，向VPOS引腳施加一個+5 V的DC電壓，并舍入至COMM引腳，如圖3所示。 圖3. ADL6010 RF/微波檢波器功能框圖 ? 如圖4所示，輸出電壓隨頻率而變化。傳遞函數(shù)隨頻率的這種變化并不會對電路性能造成任何不利影響，因為回損計算依賴于特定頻率下的比率式計算。 圖4. 500 MHz到43.5 GHz頻率范圍內(nèi)的傳遞函數(shù) ? 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 圖5. AD7091R模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ? AD7091R是一款12位逐次逼近型寄存器(SAR) ADC，吞吐速率最高達1 MSPS。盡管可以使用一個精度超高的外部基準電壓，但本應用并不要求這樣做。在本電路中，使用了2.5 V的內(nèi)部基準電壓，結(jié)果產(chǎn)生的LSB大小為 由于ADL6010的輸出電壓的最大值可以達到約3 V，因此，必須在檢波器與ADC之間用一個200 /340 電阻分壓器來衰減該電壓，如圖1所示。該電阻分壓器的標稱衰減比為1.6。 定向耦合器 定向耦合器把正向或反向信號的一部分耦合至功率檢波器以便進行測量。一般而言，耦合器有4個端口，如圖6所示。 圖6. 定向耦合器 ? 在圖6的配置中，輸入信號被耦合至端口4，端口3在50 時端接，以實現(xiàn)對信號的非反射式耦合。如果在50 時端接端口4而非端口3，則反射信號會被耦合到端口3。 在該電路中，并未使用前面展示的直接連接端口的50 端接，相反，兩個端口都饋入RF開關(guān)輸入端。因此，可以認為耦合器是雙向的，因為50 端接電阻由HCM547從內(nèi)部施加到端口3或端口4，具體取決于開關(guān)的狀態(tài)。 本電路選用的RF耦合器是Marki Microwave C10-0226帶狀線耦合器。該耦合器具有10 dB耦合能力，意味著耦合信號比輸入信號少10 dB。本電路用帶SMA連接器的定向耦合器是為了展示其在盡可能寬的頻率范圍內(nèi)的工作情況。也可使用表貼式耦合器；但這種器件一般具有較窄的頻率范圍。 數(shù)據(jù)分析 EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(SDP)板與評估軟件一起使用，以捕捉ADC采樣的數(shù)據(jù)。 軟件用前面推導出來的等式8計算回損。反射系數(shù)和VSWR都由該等式推導而來。 圖7顯示了軟件GUI的結(jié)果顯示窗格。 圖7. CN-0387評估軟件顯示 ? 檢波器采樣策略 為了準確測量系統(tǒng)的回損，在測量正向和反向電壓時，正向與反向測量之間的時間延遲必須短。圖8所示為連續(xù)采樣時執(zhí)行的采樣序列。 圖8. 采樣序列 ? 當RF開關(guān)收到信號切換開關(guān)時，開關(guān)位會發(fā)生變化，正向或反向耦合端口信號被饋入功率檢波器。在回損計算步驟中，會求500個正向樣本和500個反向樣本的均值，并根據(jù)平均正向和反向電壓的比值計算回損。 ADC的采樣速率為1 MSPS。因此，測量500個樣本需要耗時500 μs。在正向與反向周期之間，用SDP-B接口的通用輸入/輸出(GPIO)切換開關(guān)位大約耗時400 μs。時序圖見圖9。 圖9. 時序圖表示? 利用正向和反向電壓測量結(jié)果的均值計算回損、反射系數(shù)和VSWR。為了在更新前清楚讀取結(jié)果，先求出50個樣本的均值，然后再在GUI結(jié)果窗格上顯示結(jié)果。 關(guān)于EVAL-VSWR-SDZ板的完整文檔(包括原理圖、布局、Gerber文件和物料清單)可從CN-0387設(shè)計支持包中下載，網(wǎng)址：www.analog.com/CN0387-DesignSupport。 CN0387 免校準回損測量系統(tǒng) 圖1所示電路可以準確測量無線發(fā)射器中的回損，測量范圍為1 GHz至28 GHz，無需系統(tǒng)校準。 設(shè)計在單電路板上實現(xiàn)，采用一個非反射式RF開關(guān)、一個微波RF檢波器和一個12位精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。為了在盡可能寬的頻率范圍內(nèi)評估電路，采用了一個帶SMA連接器的雙端口定向耦合器，而非窄帶表貼式定向耦合器。 電路可測量最高達20 dB的回損，輸入功率范圍為25 dB(在較小的輸入功率范圍內(nèi)，可以測量超過20 dB的回損)。 電路的一個獨有特點是可以利用來自RF檢波器的數(shù)字化電壓的一個簡單比值來計算回損，因而無需系統(tǒng)校準。 圖1. 電壓駐波比(VSWR)評估板測量設(shè)置(未顯示全部連接和去耦)? CN0387 CN0387 | circuit note and reference circuit info Calibration-Free Return Loss Measurement System | Analog Devices This circuit accurately measures return loss in a wireless transmitter from 1 GHz to 28 GHz without any need for system calibration.

• 回波損耗測量系統(tǒng)
• 1GHz至28GHz
• 免校準

(analog)