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射頻源的幅度輸出是靠什么控制的?

2021/04/20
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射頻信號(hào)源的幅度輸出范圍通常都很寬泛,最小能到-130dBm以下,最高能到+27dBm往上。除了硬件上會(huì)有很多衰減器以外,還需要一個(gè)電路就是ALC。

ALC(AutomaticLevel Control)中文叫:自動(dòng)電平控制。此功能在射頻源中占據(jù)著重要地位。因?yàn)樗鼤?huì)直接影響到射頻功率輸出的動(dòng)態(tài)范圍,還會(huì)影響到射頻幅度的準(zhǔn)確度,而且也是校準(zhǔn)工作的核心。基本的流程是:根據(jù)用戶設(shè)置的具體幅度值,然后改變ALC(自動(dòng)電平控制電路)的輸出幅度、ATT(衰減器)的衰減量,確定放大器是否切入,完成功能。

這里要稍微引入兩個(gè)關(guān)鍵詞:ADC(Analog-to-digital converter)和DAC(Digital to analog converter),分別表達(dá)的是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。因?yàn)閮x表里面最原始的通信使用的是數(shù)字編碼,而外部接收的會(huì)是模擬信號(hào),所以會(huì)要通過ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),系統(tǒng)在做前期校準(zhǔn)的時(shí)候調(diào)節(jié)的里DAC的值。所以對(duì)于硬件工程師或是維修工程師來說,如果發(fā)現(xiàn)幅度輸出異常可以通過一臺(tái)好的機(jī)器與異常的機(jī)器對(duì)比,讀一下異常頻點(diǎn)兩臺(tái)機(jī)器的DAC值,正常來說應(yīng)該是差不多的,如果偏差很大可以通過原廠的編程手冊(cè)上的指令手動(dòng)去更改DAC的值來觀察幅度輸出是否會(huì)變化以確定問題是出在校準(zhǔn)上還是出在硬件上。

回到ALC話題上,由于ALC環(huán)的非線性,對(duì)于不同的載波頻率或幅度,ALC的參數(shù)不同,主要是參考DAC值,所以需要校準(zhǔn)。同樣的ALC參數(shù)下,在不同頻率時(shí),輸出功率有很大的區(qū)別,而且不單調(diào),必須要細(xì)分段進(jìn)行校準(zhǔn)。下圖是一個(gè)基本的ALC電路架構(gòu),RF_in是設(shè)定的幅度值,通過RF_out輸出到頻譜分析儀上。

 

下圖中可以看到經(jīng)過了可調(diào)衰減器與固定放大器還有功率分配器。功率分配器可能會(huì)是一個(gè)定向耦合器或三端口的功分器,其作用是在信號(hào)輸出之前耦合一路出來跟參考電壓進(jìn)行比較積分。參考DAC影響輸入ALC的幅度,幅度過大會(huì)影響諧波,另外參考DAC也會(huì)影響ALC最大輸出幅度。

 

檢波器通常是一個(gè)二級(jí)管,把設(shè)定輸出幅度值的高頻載波上的低頻信號(hào)檢出來,然后和實(shí)際收到的參考電壓值進(jìn)行對(duì)比。采用二級(jí)管檢波有兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì),第一是匹配;第二是溫度補(bǔ)償。眾所周知,二極管的負(fù)溫度特性,即隨著溫度的升高,其反向飽和電流(Reverse Saturation Current)Is將增大。

 

而二極管電壓與其電流的關(guān)系是

 

其中n為結(jié)常數(shù),介于1,2之間。所以可以得到負(fù)溫度系數(shù),這個(gè)時(shí)候就可以用差分運(yùn)放抑制共模干擾

 

通過一個(gè)對(duì)數(shù)放大器進(jìn)行放大。我們理解對(duì)數(shù)放大器首先理解一下信號(hào)壓縮,信號(hào)壓縮在現(xiàn)實(shí)世界中,一些信號(hào)往往具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍。比如雷達(dá)、聲納等無線電系統(tǒng)中,接收機(jī)前端信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)120dB以上;光纖接收器前端的電流也可從“pA”級(jí)到“mA”級(jí)。寬動(dòng)態(tài)范圍往往給應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來很多問題。一方面,線性放大器無法處理這樣寬的動(dòng)態(tài)范圍。另一方面,DAC變換中,在保證分辨率的情況下,模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)會(huì)隨動(dòng)態(tài)范圍的增大而增大。因此,在處理寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)時(shí),常常將其動(dòng)態(tài)范圍壓縮到一個(gè)可以處理的程度。如果一個(gè)系統(tǒng)中阻抗是線性的,信號(hào)的功率與電壓的平方成正比,信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍既可以用電壓表示也可以用功率來表示。

對(duì)數(shù)放大分為兩個(gè)部分,一部分是檢波后的對(duì)數(shù)放大,另一部分是AM輸出對(duì)數(shù)放大。雖然二者均是對(duì)數(shù)放大,但是二者電路實(shí)現(xiàn)方式不同,其功能也有差異。

 

然后檢波電壓和參考電壓進(jìn)行積分,再通過指數(shù)放大器將電壓值給到可調(diào)衰減器上。由于前面電路采用了指數(shù)放大器將射頻信號(hào)壓縮,故在控制線性衰減器過程中需要將信號(hào)擴(kuò)展才能還原原射頻信號(hào)。

 

如果系統(tǒng)指標(biāo)要求幅度分辨率要達(dá)到0.01dB,幅度從變化范圍要達(dá)到40dB,那么需要整個(gè)幅度等分為40/0.01=4000等份,如果用DAC來控制則至少需要12位。

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射頻行業(yè)從業(yè)者,專注儀器儀表測(cè)試十年有余,業(yè)余時(shí)間分享有關(guān)儀表操作及測(cè)試方案的實(shí)操內(nèi)容。