多通道高精度幅相檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

1、多通道高精度幅相檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì) 摘要： 相控陣?yán)走_(dá)為了保證空間功率合成精度和天線波束指向需要各雷達(dá)通道激勵(lì)信號(hào)擁有嚴(yán)格的相位關(guān)系，根據(jù)需求設(shè)計(jì)了一種基于ad8302的多通道高精度幅度相位檢測(cè)模塊。分析了ad8302的特點(diǎn)以及工作原理，給出了由ad8302、ad9852和cpci總線接口等組成的幅相檢測(cè)模塊具體設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)闡述了模塊自我校準(zhǔn)的工作原理和流程，最終實(shí)現(xiàn)多路射頻輸入信號(hào)的相位差和幅度差的精確測(cè)量。現(xiàn)場(chǎng)使用結(jié)果表明，幅相檢測(cè)模塊具有檢測(cè)精度高、工作頻率范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)穩(wěn)定及實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：ad8302；幅相檢測(cè)；相位差；相控陣?yán)走_(dá)； 中圖分類(lèi)號(hào)：tn911.23 文

2、獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1009-3044（2015）13-0256-03 abstract： in order to ensure precision of power synthesize and antenna beam steering in phased array radar， there is need of strict phase relation in multi-channel radar， according as requirement， a kind of the magnitude and phase measuring module with multi-cha

3、nnel and high precision based on ad8302 is designed. this paper analyse the ad8302 character and the working principle， and give a specific design of the magnitude and phase measuring module that consist of ad8302， ad9852 and cpci bus， it focuses on the working principle and process of the module se

4、lf-calibration， finally realized the measurement of the magnitude and phase of the multi-channel input signal. the results shows that magnitude and phase measuring module has the advantages of high precision， wide work frequency band， strong anti-jamming， good stable performance， good practicability

5、 and so on. key words： ad8302； magnitude and phase measuring； phase difference； phased array radar 1 概述 有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)空間功率合成和天線波束快速掃描就必須要求各雷達(dá)通道激勵(lì)信號(hào)相位關(guān)系精確可控。由于相控陣各天線單元之間的信號(hào)幅度與相位因?yàn)橹圃旌桶惭b公差、傳輸反射等原因難以做到一致，存在幅度與相位誤差并且嚴(yán)重影響到雷達(dá)的波束指向，所以對(duì)各雷達(dá)通道幅相誤差的檢測(cè)與修正對(duì)相控陣系統(tǒng)來(lái)說(shuō)就尤為重要。 傳統(tǒng)的數(shù)字或模擬幅度相位檢測(cè)方法電路復(fù)雜，易受干擾測(cè)量精度低，而且適用的頻率范圍窄，因此

6、研究出一種電路簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、測(cè)量頻帶寬的新型幅相檢測(cè)方法就具有很重要的意義。本文設(shè)計(jì)了一種基于ad8302的多通道高精度幅相檢測(cè)模塊，可精確測(cè)量相控陣?yán)走_(dá)各通道的射頻信號(hào)的幅度相位差，同時(shí)也可廣泛應(yīng)用于信號(hào)變換、信息采集、控制以及通信等領(lǐng)域。 2 ad8302工作原理 ad8302是adi 公司推出的用于rf/ if 幅度和相位測(cè)量的首款單片集成電路，它能同時(shí)測(cè)量從低頻到 2.7ghz 頻率范圍內(nèi)兩輸入信號(hào)之間的幅度比和相位差。ad8302 主要由精密匹配的兩個(gè)寬帶對(duì)數(shù)放大器、一個(gè)相位檢測(cè)器、輸出放大器組、一個(gè)偏置單元和一個(gè)輸出參考電壓緩沖器組成1，其功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。ad8302

7、之所以能進(jìn)行幅度和相位差的精確測(cè)量主要是由于其內(nèi)部的兩個(gè)寬帶對(duì)數(shù)放大器，每一個(gè)寬帶對(duì)數(shù)放大器都由 6 個(gè) 10db 增益級(jí)串聯(lián)而成，6 個(gè)增益級(jí)都帶有 7 個(gè)輔助濾波器，這樣的結(jié)構(gòu)使它具有的對(duì)數(shù)的壓縮功能，可以將寬頻帶的兩個(gè)輸入電壓變?yōu)檎瓗У姆重惪潭容敵?，從而?shí)現(xiàn)了對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)增益的測(cè)量。測(cè)量后的結(jié)果是將輸入信號(hào)的相位差變換為電壓輸出，范圍是 01.8v，幅度之比也變換為相應(yīng)的電壓輸出2。 ad8302通過(guò)精密匹配的2個(gè)寬帶對(duì)數(shù)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)2個(gè)輸入通道信號(hào)的幅度和相位測(cè)量，其幅度和相位測(cè)量方程式為： 3 幅相檢測(cè)模塊具體設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的幅相檢測(cè)模塊功能是對(duì)相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射系統(tǒng)耦合回的多路射頻

8、信號(hào)進(jìn)行幅度和相位檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)值調(diào)整激勵(lì)源，以確保激勵(lì)源輸出信號(hào)相位幅度的準(zhǔn)確性。幅相檢測(cè)模塊由總線接口部分、開(kāi)關(guān)矩陣部分、幅相檢測(cè)部分、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換部分和時(shí)序控制部分組成，幅相檢測(cè)模塊組成如圖2所示。 多路射頻信號(hào)輸入模塊后由開(kāi)關(guān)矩陣依次選通為待測(cè)信號(hào)，與dds 經(jīng)放大、功分輸出的參考信號(hào)一起調(diào)理后直接送至幅相檢測(cè)芯片ad8302， ad8302將檢測(cè)所得幅度差及相位差電平由電子開(kāi)關(guān)選擇后送至模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)轉(zhuǎn)換芯片分別對(duì)電平值進(jìn)行采樣，將所得數(shù)字信號(hào)送至fpga中進(jìn)行處理，將結(jié)果通過(guò)總線送至主控模塊。 3.1 總線接口部分 幅相檢測(cè)模塊需要與主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，為滿足傳輸速率的要求，設(shè)

9、計(jì)采用cpci總線實(shí)現(xiàn)控制命令的下發(fā)和檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳的功能。cpci總線是目前兼容性最強(qiáng)、功能最全的計(jì)算機(jī)總線，但其總線規(guī)范復(fù)雜、時(shí)序要求嚴(yán)格、接口設(shè)計(jì)難度大，因此為了降低設(shè)計(jì)難度，選用plx公司的pci9054總線控制芯片。該芯片支持66mhz、64bit的pci r2.2規(guī)范，提供了3中物理總線接口：cpci總線接口、local總線接口和串行eprom接口。pci9054作為橋接芯片在pci總線和本地總線之間傳輸數(shù)據(jù)，其傳輸模式靈活多樣，包括直接主模式（pci master）、直接從模式（pci target）和dma模式。本設(shè)計(jì)中，pci9054采用pci從模式，主控模塊作為主設(shè)備發(fā)起對(duì)本

10、地總線的訪問(wèn)，pci9054請(qǐng)求占有本地總線完成數(shù)據(jù)傳輸功能4。 3.2 開(kāi)關(guān)矩陣部分 開(kāi)關(guān)矩陣電路用于實(shí)現(xiàn)對(duì)多路輸入信號(hào)以及自檢信號(hào)的選通，主要由多片射頻開(kāi)關(guān)adg904組成。adg904為adi公司推出的一款四選一射頻開(kāi)關(guān)，其內(nèi)部每條通路上都匹配一50吸收負(fù)載，可提高系統(tǒng)抗干擾能力，提高電磁兼容性，其工作頻率范圍為dc1ghz；在信號(hào)不加偏置的情況下最大輸入功率可達(dá)7dbm，插入損耗為0.4db，回波損耗可達(dá)27db。在本設(shè)計(jì)中，為了防止相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)各通道耦合回的信號(hào)幅度的突變，所以在輸入端加衰減網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行衰減，以保證adg904正常工作，adg904電路連接如圖3所示。 3.3

11、 幅相檢測(cè)部分 幅相檢測(cè)電路為幅相檢測(cè)模塊的核心，用于實(shí)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)之間幅度差及相位差的檢測(cè)。該電路主要由幅相檢測(cè)芯片ad8302和參考信號(hào)產(chǎn)生芯片ad9852構(gòu)成。 ad8302 把兩輸入信號(hào)幅度之比（即增益）轉(zhuǎn)化為電壓輸出，其范圍為01.8v，表示增益范圍為-30db+30db，檢測(cè)精度可達(dá)0.2db；兩輸入信號(hào)的相位差也轉(zhuǎn)化為電壓輸出，其范圍為 01.8v，可表示兩信號(hào)的相位差為0180，無(wú)法確認(rèn)待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的相位差是在 0-180還是在 0+180之間，存在著相位二值性判斷問(wèn)題5。 同時(shí)，根據(jù)ad8302用戶手冊(cè)可知其對(duì)在0和180附近檢測(cè)誤差較大，最大可達(dá)8，而在90附

12、近誤差小于0.5。因此，在本設(shè)計(jì)中引入一參考信號(hào)，通過(guò)控制參考信號(hào)移相，來(lái)解決ad8302二值性及誤差問(wèn)題。設(shè)計(jì)采用頻率分辨率高的dds芯片ad9852產(chǎn)生參考信號(hào)，在檢測(cè)相位時(shí)，首先測(cè)量輸入信號(hào)與參考信號(hào)相位差，然后控制ad9852使參考信號(hào)相位產(chǎn)生90相移，再次測(cè)量相位差，對(duì)比兩次結(jié)果分析出輸入信號(hào)與參考信號(hào)相位關(guān)系。 3.4 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換部分 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路由ad7942實(shí)現(xiàn)，ad7942是adi公司出品的一款14位逐次逼近型采樣芯片，采用2.3 v至5.5 v單電源供電。它內(nèi)置一個(gè)低功耗、高速、14位無(wú)失碼采樣adc、一個(gè)內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘和一個(gè)spi端口?；鶞?zhǔn)電壓由外部提供，最高可設(shè)置為電源

13、電壓。最大積分非線性誤差（inl）為1 lsb。在本設(shè)計(jì)中，采用3.3v供電，參考電壓選擇2.5v，以14位計(jì)算，其最小可測(cè)量電壓不到1mv，而ad8302的檢測(cè)精度分別為30mv/db以及10mv/deg，可以滿足指標(biāo)要求，ad7942電路連接如圖4所示。 3.5 時(shí)序控制部分 時(shí)序控制部分為幅相檢測(cè)模塊提供了數(shù)據(jù)、地址的緩沖并產(chǎn)生各種控制信號(hào)，它主要由fpga和檢測(cè)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。 fpga要實(shí)現(xiàn)的功能有以下部分：總線通信、產(chǎn)生ad9852的控制信號(hào)、激勵(lì)輸出及系統(tǒng)參考時(shí)鐘輸入信號(hào)的bit檢測(cè)、開(kāi)關(guān)矩陣及電子開(kāi)關(guān)的選通控制等，同時(shí)從提高幅相檢測(cè)模塊準(zhǔn)確度和可靠性的角度考慮，設(shè)計(jì)fpga還承擔(dān)著

14、對(duì)幅相檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的任務(wù)。fpga采用xilinx公司的xc3s250e，相應(yīng)的配置芯片為xcf02s，xc3s250e采用pqfp208封裝，內(nèi)部含有27k字節(jié)的block ram和4k字節(jié)的分布式ram。檢測(cè)電路主要功能為對(duì)dds輸出的參考信號(hào)進(jìn)行二極管檢波，當(dāng)有參考信號(hào)輸入時(shí)檢測(cè)電路輸出高電平給fpga，從而fpga判斷參考信號(hào)正常，反之亦然。 4 幅相檢測(cè)模塊的校準(zhǔn) ad8302作為幅度相位測(cè)量芯片也存在著不足，例如在相位檢測(cè)時(shí)只能輸出0180需要進(jìn)行二值性判斷、相位檢測(cè)的非線性等。ad8302的這些缺點(diǎn)對(duì)相位檢測(cè)的精度影響尤為突出，所以需要幅相檢測(cè)模塊的自我校準(zhǔn)來(lái)克服。 當(dāng)把a(bǔ)d

15、8302的輸出引腳vmag和vphs直接與芯片反饋設(shè)置輸入引腳mset和pset相連時(shí)，芯片的測(cè)量模式將工作在默認(rèn)的斜率和中心點(diǎn)上，精確幅度測(cè)量比例系數(shù)為30mv/db，精確相位測(cè)量比例系數(shù)為10mv/度1。但根據(jù)實(shí)際測(cè)量可知，ad8302在不同頻率下幅相比例系數(shù)并不相同，所以設(shè)計(jì)校準(zhǔn)的方法為dds輸出的參考信號(hào)經(jīng)功分一路作為參考信號(hào)直接進(jìn)入檢測(cè)芯片，另一路功分信號(hào)經(jīng)開(kāi)關(guān)矩陣選通作為待測(cè)信號(hào)也進(jìn)入檢測(cè)芯片，由于兩路信號(hào)都是由dds產(chǎn)生并功分，因此兩路信號(hào)存在著固定的相位關(guān)系，可由專(zhuān)業(yè)儀器例如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提前測(cè)量好存儲(chǔ)起來(lái)。同時(shí)，把整個(gè)測(cè)量頻段分為若干個(gè)小頻段，對(duì)兩信號(hào)幅相差進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量，根據(jù)

16、測(cè)量采樣電平值與真實(shí)幅度相位差值進(jìn)行比對(duì)計(jì)算出小頻段內(nèi)精確的幅相比例系數(shù)并存儲(chǔ)在fpga中以便后續(xù)使用6。 5 結(jié)束語(yǔ) 本文設(shè)計(jì)的基于ad8302的幅相檢測(cè)模塊已經(jīng)成功應(yīng)用在某相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)上，由于采取了若干提高檢測(cè)精度的措施，相位檢測(cè)精度可達(dá)到0.2，幅度檢測(cè)精度可達(dá)到0.1 db。實(shí)踐證明，利用ad8302進(jìn)行幅度和相位檢測(cè)電路簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、系統(tǒng)可靠性高、成本低，具有良好的應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn)： 1 analog devices inc. ad8302 lfc2.7 ghz rf/ifgain and phase detectorz.2002. 2 沙占友，劉阿芳.基于ad8302的單片寬頻帶相位差測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)j.電子設(shè)計(jì)工程，2006（1）：57-60. 3 曹蘭娟.基于 ad8302 芯片的新的幅相測(cè)量系統(tǒng)j.電子工程師，2007（3）：6-8. 4 鄭成波，楊科技，傅其祥.一種基于cpci總線的高速雷達(dá)回波信號(hào)采集系