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微波功率检波器设计毕业论文

 2020-02-17 09:02  

摘 要

随着互联网技术的不断发展,无线信道的占用愈发严重,为了解决频谱资源的分配,不得不向更高频率的微波频率段发展。在高频微波范围内,功率是三个重要的基本量之一,但目前测量微波功率的设备大多较为笨重和昂贵,因此设计一款低成本的微波功率检波器十分必要,并且要求实现在较宽频率范围内的微波信号功率测量。

本设计主要采用对数检波法对接收到的微波信号进行检波分析,由输入微波信号的频率和功率的不同,将得到不同的输出电压值。根据AD8318输入输出信号测量参数表,在Matlab中进行三维函数拟合,得到AD8318双端信号之间的大致函数关系式。求取该函数关系式的反函数,以微波频率和检波输出电压为自变量,以微波功率为因变量。使用数据采集卡NI USB-6009采集检波输出电压值,对电压信号进行AD转换并传送到PC端。在PC端,使用LabVIEW软件配合数据采集卡USB-6009,在LabVIEW中显示采集到的电压波形图。在LabVIEW中,使用自带的函数功能模拟出该二元反函数的关系式。分析并找出整个硬件电路中会产生衰减的部分,计算各个部分的衰减值并相加,得到硬件电路的总衰减。在LabVIEW中,对二元反函数的计算结果进行衰减补偿,得到较为准确的功率值。在宽频率和多功率值范围内,对硬件电路进行数据测试,将测试得到的功率值和实际值进行比较分析,分析在不同微波频率和功率值下的误差情况。结果显示平均误差为3.3dBm,误差较小,表明本设计达到要求,结果基本可靠。

关键词:微波功率;AD8318;LabVIEW

ABSTRACT

With the continuous development of Internet technology, the occupation of wireless channels is becoming more and more serious. In order to solve the allocation of spectrum resources, it has to develop to a higher frequency microwave frequency segment. In the high-frequency microwave range, power is one of the three important basic quantities, but most of the instruments that measure microwave power are cumbersome and expensive, so designing a low-cost microwave power detector is necessary and required to be implemented. Microwave signal power measurement over a wide frequency range.

This design mainly uses the logarithmic detection method to detect and analyze the received microwave signal. Different frequency and power of the input microwave signal will obtain different output voltage values. According to the AD8318 input and output signal measurement parameter table, three-dimensional function fitting is performed in Matlab, and the approximate function relationship between the AD8318 double-ended signals is obtained. The inverse function of the function relation is obtained, and the microwave frequency and the detection output voltage are independent variables, and the microwave power is used as the dependent variable. The data acquisition card NI USB-6009 is used to collect the detection output voltage value, and the voltage signal is AD-converted and transmitted to the PC. On the PC side, use the LabVIEW software with the data acquisition card USB-6009 to display the acquired voltage waveform in LabVIEW. In LabVIEW, the relationship of the binary inverse function is simulated using the built-in function. Analyze and find the part of the whole hardware circuit that will produce attenuation, calculate the attenuation values of each part and add them to get the total attenuation of the hardware circuit. In LabVIEW, the calculation result of the binary inverse function is attenuated to obtain a more accurate power value.In the wide frequency and multi-power value range, the hardware circuit is tested for data, and the measured power value and actual value are compared and analyzed, and the error conditions under different microwave frequencies and power values ​​are analyzed. The results show that the average error is 3.3dBm, and the error is small, indicating that the design basically meets the requirements and the result is reliable.

Keywords: microwave power; AD8318; LabVIEW

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究动态 1

1.3论文主要工作及结构安排 1

第2章 测量原理和总体方案设计 3

2.1微波功率测量原理及方法简介 3

2.1.1概述 3

2.1.2测热电阻法 3

2.1.3二极管检波法 3

2.2对数放大功率检测法 4

2.3系统总体设计方案 5

2.4本章小结 6

第3章 功率计硬件电路设计 7

3.1硬件选择 7

3.1.1接收天线选择 7

3.1.2检波芯片选择 7

3.1.3采集和模数转换芯片选择 9

3.2硬件电路设计 10

3.3本章小结 12

第4章 功率计软件部分设计 13

4.1 AD8318双端信号关系曲线拟合 13

4.2 LabVIEW简介 16

4.2.1 LabVIEW简介 16

4.2.2 NI-DAQmx简介 16

4.3 电压信号采集 16

4.4信号衰减和增益计算 19

4.4.1发射和接收天线增益 20

4.4.2自由空间的路径损耗 21

4.4.3 SMA连接器和射频电缆损耗 21

4.5 LabVIEW电压信号处理 22

4.6本章小结 25

第5章 结果分析 26

5.1函数拟合误差分析 26

5.2数据测试与结果分析 28

5.3本章小结 30

第6章 总结与展望 31

6.1论文工作总结 31

6.2问题与展望 31

参考文献 33

致谢 34

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

随着互联网技术的不断发展,设备终端的数量越来越多,无线信道的占用愈发严重。频谱资源的分配问题越来越引起人们的关注,要解决这一问题,人们逐步开始研究在更高频率范围内进行信号传输,因此微波技术得以迅速发展。当频率低于微波时,常用的参数是电压、电流和频率等,然而,当频率高于微波时,场分布(驻波)、功率和频率成为了主要的测试量,而且其他量均是由这三个量计算获得的[1]。在微波频段,功率值的测量工作十分基础而关键,因为功率值的数值大小决定了系统的性能是否合格。因此,在射频范围内,确定一个发射源的功率大小是一项基本而重要的任务。

但目前,用于微波频率范围的功率计大多设备笨重,价格昂贵,维护成本高,不易携带,效率低下。因此,开发一款低成本的微波功率检波器,实现测量较宽频率范围内的微波信号的功率,并达到足够的测量精度和动态范围,具有十分重要的现实意义。

1.2国内外研究动态

国外在微波功率测量技术方面的研究工作起步较早,在1930年代Sigurd 和 Russell Varian通过在调速管上打孔的方法,在荧屏上显示出了耦合的电信号强度变化的图像,这是世界公认的最早的功率检测装置[2]。这一装置在低频范围内效果良好,但在高频范围内的效果不尽人意。在微波功率计研究方面,国外的安捷伦公司的产品和技术具有国际领先地位,代表了微波功率测量行业的先进水平,他们的产品应用在科研生产和工程应用等多个领域。比如,其E4419B射频/微波功率计,其可测量频带宽,功率动态范围大,测量绝对精度高。

国内在这一方面起步比国外要晚,大致起步于1970年代,和国外技术水平之间有不小差距。目前国内在这方面主要采用肖特基二极管检波技术,此外一些高校和研究所也采用新材料、新工艺,取得了不错的进展[3]

1.3论文主要工作及结构安排

本论文的主要工作是检测自由空间中的微波信号,运用检波的方法测量其功率值,并分析讨论衰减和误差情况,对结果进行补偿计算。本论文的具体思路和写作步骤如下:

  1. 绪论 简单介绍微波技术的发展过程和在国内外的研究状况。

第二章 测量原理和总体方案设计 简述了微波功率信号的采集方法,根据课题的指标要求,在宽带微波频率范围内,完成方案选择。

第三章 功率计硬件电路设计 分析并选择所需的芯片型号,简单介绍数据采集卡USB-6009,对硬件电路的接收、检波和采集等部分进行详细分析和制作。

第四章 功率计软件部分设计 分析并拟合了AD8318输入端的微波频率和功率值与输出端的电压值三者之间的二元函数关系。详细介绍了在LabVIEW2018软件中如何采集和处理信号。分析和计算硬件电路各处的衰减情况,对二元反函数的计算结果进行衰减补偿,得到较为准确的功率值。

第五章 结果分析 使用AD8318双端函数关系式来计算微波在各频率点和功率点的拟合功率值的误差。测试所搭建系统的性能,在1.5GHz~3GHz频率范围内,以100MHz为步进值,依次测量系统在四个不同的频率点的微波功率值,并计算各处的误差值。

第六章 总结与展望 全面总结本论文的工作,指出本设计的不足之处所在,并简要说明改进的方向和步骤。

第2章 测量原理和总体方案设计

2.1微波功率测量原理及方法简介

2.1.1概述

微波是指频率为300MHz~300GHz的电磁波,波长在1mm-1m范围内,属于射频电磁波[4]。由于微波的频率较高,在低频范围内的基本量如电压、电流等已不再适合直接测量,因此只能转化成其他量(如脉冲功率、有效值功率等)来间接测量[5]

2.1.2测热电阻法

测热电阻在目前所使用的常见功率计中都有使用,作为功率敏感元件。测热电阻会随着吸收信号功率而升高温度,使用电桥电路便可以测出测热电阻的电阻变化情况。测热电阻主要有三种类型:热敏电阻、镇流电阻和薄膜测热电阻。在这三者之中,热敏电阻最为常见。热敏电阻的灵敏度比金属高10~100倍,非常适合用来作为测热电阻。

2.1.3二极管检波法

二极管检波法中的二极管是功率转换器件,可以提取出交流信号的包络波形,把交流信号转化为直流信号[5]

在图2.1的电路中,低频和直流信号从电感流过,高频微波信号从电容流过,是负载电阻。在接收天线和检波电路之间需要接入一个匹配电路,使二者实现阻抗匹配,实现功率的最大传输和最小反射。

图2.1 二极管检波法原理框图

2.2对数放大功率检测法

对数检测方法可以对电路的输入信号的包络执行对数运算[1]。对数放大功率检测电路是由多个特性相同的限幅放大器(Amplifier,AMP)级联而成的,把每个限幅放大器的输出分别送入检波(Detector,DET)模块,各路检波输出相加得到输出电压。对数检波法的原理框图如图2.2所示,输入输出关系函数图像如图2.3所示[6]

图2.2 对数检波法原理框图

图2.3 对数检波法输入输出关系

当放大器的输入电压从0开始增大,的值较小,各级放大器均处于放大状态,此时的函数图像如图2.3中的0段。假设单级限幅放大器的电压增益为K,限幅电压为,检波器电压传输系数为A,则0段的函数表达式为[6]

随着输入电压增大至,第n级限幅放大器的输出电压将首先达到限幅电压,若输入电压再增大,第n级限幅放大器的输出电压将保持不变,恒定为。图2.3中点的坐标为

随着输入电压增大至,第n-1级限幅放大器的输出电压也将达到限幅电压。同理,若输入电压再增大,第n-1级限幅放大器的输出电压将维持在。图2.3中点的坐标为

照上述分析可得,当第n-m 1级达到限幅电平时,图2.3中点的坐标为

根据式和式中和的表达式,消去,可以得到和之间的函数关系式为

如果单级限幅放大器的电压增益K足够大,级数n足够多的话,和将成对数关系。对数检波法有如下好处:动态范围大而且斜率恒定[1],把处在较大动态范围中变化的信号转换为在较小范围中变化,因此本设计选用对数放大功率检测法。

2.3系统总体设计方案

微波功率检波器的功能总体上由硬件电路和软件部分两部分共同来实现。硬件电路实现微波信号的接收、检波、电压采集和AD转换工作。软件部分利用LabVIEW软件完成信号采集、转换和显示工作。

图2.4 微波功率检波器总体框图

用宽带天线接收来自外部的射频微波信号,然后把信号接入检波器,将射频微波信号转化为低频电压信号。在采样电路中对得到的电压值进行采样,将采样值进行模数转换,并输入到PC端。在PC端对采样值进行处理,根据所得电压值和输入微波信号的频率,并估算电路衰减,用补偿算法补偿电压值,将电压值转化为对应功率值。

2.4本章小结

本章简述了微波功率的测量原理,并简要分析了测热电阻法和二极管检波法的基本原理,详细分析了对数检波法,用公式推导了信号之间的对数关系,确定对数检波法为本设计采用的方法,确定系统总体设计方案。

第3章 功率计硬件电路设计

3.1硬件选择

3.1.1接收天线选择

天线是一种变换器,它把传输线上传播的导行波,变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波,或者进行相反的变换[7]。天线按照工作性质可以分为发射天线和接收天线,在本设计中,采用ADF4351频率合成器作为信号源产生微波信号。为了方便计算和减小误差等,发射天线和接收天线选用同一款天线。在本设计中,发射端和接收端传输信号为点对点传输,因此选用定向天线。由于本设计要求需要对50MHz—3GHz范围内的信号进行检波,因此选用宽带天线。综上所述,本设计选用超宽带定向天线来发射和接收信号。

本设计选用的超宽带定向天线的性能指标如下:

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