S波段收發(fā)組件功率檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：基于單片機(jī)技術(shù)，研制了S波段收發(fā)組件功率檢測系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)組成，詳細(xì)設(shè)計(jì)了微波檢波器電路和數(shù)據(jù)處理程序。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，檢測系統(tǒng)不僅簡化了硬件設(shè)計(jì)，提高了可靠性和電磁兼容性，而且滿足了多組件正常工作時的功率監(jiān)測要求，具有很好的實(shí)用價值。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)技術(shù)；功率撿測；微波檢波器

    有源相控陣?yán)走_(dá)可廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域，其主體是有源陣面。每個天線單元上設(shè)置具有獨(dú)立收發(fā)功能的T／R組件模塊，紺件中的發(fā)射功率放大器和接收低噪放大器均與天線輻射單元直接相連。
    T／R組件是有源相控陣?yán)走_(dá)的核心部件之一，具有發(fā)射功率放大、接收信號放大、收發(fā)轉(zhuǎn)換、陣面幅度修正和移相控制、波束掃描等功能。T／R組件發(fā)射功率指標(biāo)的好壞直接影響相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的作用距離、指向精度等戰(zhàn)技指標(biāo)。一部相控陣?yán)走_(dá)少則數(shù)百個，多則幾千個T／R組件。傳統(tǒng)的功率檢測方法測試效率低，已經(jīng)不能滿足大數(shù)量的收發(fā)組件功率檢測的要求。為了實(shí)現(xiàn)多組件功率的高效實(shí)時檢測，本文采用單片機(jī)技術(shù)，研制了S波段收發(fā)組件功率檢測系統(tǒng)。

1 功率檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    功率檢測系統(tǒng)對微波信號進(jìn)行檢波，將檢波輸出電平輸入到信息處理控制電路，再由信息處理控制模塊輸出給顯示電路，從而實(shí)現(xiàn)了功率實(shí)時檢測功能。該系統(tǒng)包括微波檢波電路、信息處理控制電路以及顯示電路三個部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。根據(jù)電路功能，可將系統(tǒng)分為輸入檢波電路和輸出處理電路分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1．1 輸入檢波電路設(shè)計(jì)
    微波檢波電路是檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在整個檢測系統(tǒng)中，檢波器的輸出電平?jīng)Q定了檢測指示的結(jié)果。直接采用低勢壘肖特基二極管的微帶檢波器無需外加偏置電壓，頻率響應(yīng)快、機(jī)械性能好，并具有加工成本低、實(shí)現(xiàn)簡單、易與其他微帶電路進(jìn)行拼接等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于帶內(nèi)阻抗不匹配導(dǎo)致存頻帶內(nèi)檢波輸出電平的線性度差、波動大，從而引起控制電路對實(shí)際功率做出錯誤判斷，造成功率指示不準(zhǔn)確和虛報(bào)故障等一系列問題。
    針對采用低勢壘肖特基二極管微帶檢波器帶內(nèi)阻抗不匹配問題，在頻帶內(nèi)進(jìn)行最優(yōu)匹配檢波電路的設(shè)計(jì)，檢波電路如圖2所示，包括匹配網(wǎng)絡(luò)、檢波二極管、RLC低通濾波器。RFC構(gòu)成直流回路，RL是負(fù)載電阻。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)完成了檢波二極管的輸入阻抗與微帶線(50Ω)阻抗匹配，從而提高了檢波器的靈敏度、線性度和平坦度，降低了檢波器的輸入駐波比。

    微帶基片采用Rogers RT／duroid 5880，介電常數(shù)為2．2，厚度為0．78 mm。檢波二極管選用AVAGO的HSCH53XX。參考HSCH5340的資料，在ADS軟件里建立二極管Spice模型。先用ADS軟件對檢波二極管的輸入阻抗進(jìn)行分析，可知其輸入阻抗的實(shí)部很小，大約為幾歐姆，虛部很大，大約為幾百歐姆，且呈容性。獲得二極管的阻抗后便可進(jìn)行阻抗匹配電路的設(shè)計(jì)，電路匹配有很多種方法和模式，本文結(jié)合所用的檢波二極管的特性，通過對匹配電路的理論知識分析和仿真實(shí)驗(yàn)總結(jié)，最終所得的仿真電路及輸出分別如圖3和圖4所示：

    由仿真結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的檢波器輸出電平在0．5 V以上，設(shè)計(jì)的檢波電路靈敏度高，帶內(nèi)平坦，檢波輸出電平在頻帶內(nèi)線性度好，波動小，能較為準(zhǔn)確的檢測功率，解決虛報(bào)故障的問題，提高了收發(fā)組件工作的安全性和穩(wěn)定性。當(dāng)需要增加檢波器的工作帶寬時，可以在末端加開路輻射短接線，與二極管形成低Q阻抗并聯(lián)，這樣就可以完成在寬帶匹配，同時，也可以增加小電流偏置，提高二極管阻抗的實(shí)部，進(jìn)一步改善匹配電路。
1．2 輸出處理電路設(shè)計(jì)
    輸出處理電路包括A／D轉(zhuǎn)換、脈沖檢測和顯示電路。

    A／D轉(zhuǎn)換電路部分采用AD7472作為模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，最高可實(shí)現(xiàn)8位無碼傳輸，具有抗干擾性能好，轉(zhuǎn)換精度高等優(yōu)點(diǎn)。這種設(shè)計(jì)去掉了傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)方法中的運(yùn)算放大器，簡化了電路，降低了成本。通過對低功耗、高性能、可在線編程的CMOS8位AT89S52單片機(jī)系統(tǒng)初始化，上電復(fù)位AD7472。

    脈沖檢測電路采用MAx961進(jìn)行脈沖檢測判斷，當(dāng)檢波信號滿足功率要求時則判斷為是，進(jìn)行響應(yīng)延時及啟動ADC，進(jìn)行功率輸出處理；否則便判斷為否，繼續(xù)進(jìn)行脈沖檢測。圖5為檢測程序流程圖。圖6為A／D轉(zhuǎn)換、響應(yīng)延時、數(shù)據(jù)平均子程序流程圖。顯示部分采用3位數(shù)碼管，當(dāng)數(shù)據(jù)處理結(jié)束后，需把結(jié)果顯示到數(shù)碼管上，圖7為3位數(shù)碼管顯示子程序流程圖。

2 系統(tǒng)性能測試
    通過以上研究和必要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工、安裝調(diào)試，并經(jīng)過多次試驗(yàn)和反復(fù)修改，得到匹配檢波器實(shí)物圖及輸出處理電路實(shí)物圖如圖8和圖9所示。

    通過本檢查系統(tǒng)與Agilent標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)對某收發(fā)組件在頻帶2．9～3．5 CHz進(jìn)行功率檢測，實(shí)測結(jié)果如表1所示，其中F代表頻率，P1代表檢測系統(tǒng)實(shí)測功率，P2代表Agilent標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)測量值。

3 結(jié)束語
    本文通過研究、設(shè)計(jì)、測試和分析，完成了多T／R組件功率的高效實(shí)時檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用AD7472作為模／數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了8位無碼傳輸，低功耗、高性能、可在線編程的CMOS8位AT89S52單片機(jī)進(jìn)行電路控制，采用采用MAX961進(jìn)行脈沖檢測判斷，最終采用3位數(shù)碼管進(jìn)行結(jié)果顯示。本系統(tǒng)各部分工作穩(wěn)定可靠，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，滿足多組件正常工作時的功率臨測要求，具有很好的實(shí)用價值。