基于AD8302相位差測量系統的改進設計方案

　　美國ADI推出的AD8302型相位檢測芯片。該芯片能精確測量2個獨立的射頻(RF)、中頻(IF)或低頻信號的增益、相位差及頻率。但該芯片的測量相位差的范圍只有0°~180°。

　　鑒相芯片AD8302簡介

　　芯片AD8302的功能框圖如圖1所示，它內部包含2個精密匹配的寬帶對數放大器、1個寬帶相位檢測器、1.8V精密基準源，以及模擬標定電路和接口電路，AD8302能精確測量兩個信號之間的幅度和相位差主要基于對數放大器的對數壓縮功能，通過精密匹配的兩個寬帶對數檢波器來實現對兩輸入通道的幅度和相位差測量，能同時測量從低頻到2.7GHz頻率范圍內2個輸入信號之間的增益(亦稱幅度比)和相位差。AD8302不僅能測量放大器、混頻器等電路的增益和相位差，而且特別適合對無線基站及測試設備的檢測。

　　圖1 芯片AD8302的內部功能框圖

　　從芯片的介紹資料上可知，AD8302的相位差檢測的范圍是0°~180°，對應的輸出電壓變化范圍是0V~1.8V,輸出電壓靈敏度為10mV/度，測量誤差小于0.5°。當相位差Δφ=0°時，輸出電壓為1.8V,當Δφ=180°時，輸出電壓為30mV,輸出電流為8mA.相位輸出時的轉換速率為30MHz,響應時間為40ns~500ns.AD8302的相位差響應曲線如圖2所示，從圖中可以看出，從-180°~+180°，相位檢測結果是用0~1.8V的電壓值來表示的，這將引入一個模糊的測量結果。比如當相位變化是45°和-45°時，檢測結果將輸出1個相同的值，而無法判斷是哪個值，因此該芯片的測量范圍比較小。這也影響了該芯片的應用范圍。

　　本設計鑒相電路的介紹

　　本設計通過增加一個90度電橋和一個功分器來實現基于AD8302的0°到360°的相位差檢測。電路結構如圖3所示兩路輸入的射頻信號RF1和RF2,第一路信號RF1通過一個90度的電橋分成兩路正交信號φ1,φ1',第二路信號RF2通過功分器分成兩路相位相等的信號φ2.假設兩路信號相位差為45°，則圖3中上路AD8302檢測的相位差φa=φ1-φ2=45°，則下路的AD8302檢測的相位差φb=φ1'-φ1=135°。則上路的鑒相輸出的電壓為135mV,從圖2 AD8302的鑒相響應曲線上可知，如果僅僅得知輸出電壓為135mV的話只能推測兩路信號的相位差為45°或-45°，因此需要第二路的鑒相輸出電壓輔助判斷，如果兩路信號的相位差是45°則下路的AD8302的兩路輸入相位差為135度，因此輸出電壓應為45mV,如果兩路輸入信號的相位差-45°，則下路的兩路輸入信號相位差為45度，輸出電壓應為135mV,這樣就可以判斷兩路信號RF1和RF2的相位差是45°還是-45°。

　　圖2 AD8302的相位差響應曲線

　　圖3 本設計電路結構圖　　具體電路設計

　　本設計中90度電橋采用Innovative公司IPP-7032型90度電橋芯片，工作頻率為500-3000MHz,插入損耗小于0.6dB,相位平衡度為±5°，滿足設計要求。功分器采用mini公司的TCP-2-272+型功分器，工作頻率為5-2700MHz,插入損耗小于0.9dB,相位不平衡度優于9°。AD8302的單元電路如圖4所示，由于本設計只限于相位差檢測，因此將幅度差檢測輸出腳接一個電阻到地。

　　圖4 AD8302相位檢測電路

　　電路設計和加工

　　為便于調試，功分電橋電路和AD8302鑒相電路分開加工，分開調試合格后通過等長的電纜連接到一起進行聯合調試。使用Protel 99版圖設計軟件對本設計電路進行設計，板材選用Rogers4003c,厚度0.508mm,介電常數為3.38.版圖設計時應保證電橋輸出的兩路到AD8302輸入端的時候經過的路線長度相同，功分器的輸出同樣處理，以保證相位差值不變。AD8302部分版圖的如圖5所示。腔體使用SolidWorks設計軟件進行設計，同樣分兩個腔體設計。最終的設計實物圖如圖6所示。采用矢量網絡分析儀、頻率源、示波器對本設計進行測試，鑒相電路滿足各設計指標要求，鑒相范圍為0°到360°，工作頻率可達到500MHz~2700MHz.

　　(a)電橋和功分器電路PCB版圖

　　(b)兩路AD8302鑒相電路PCB版圖

　　圖5 本設計版圖示意圖

　　圖6 本設計的實物圖

　　總結

　　在實際的雷達裝備性能測試中，經常會遇到需要檢測兩個信號之間的相位差的問題，以此來獲得一些雷達信號的頻率、方位等特性。在研究網絡相頻特性中，這也是不可缺少的重要方面。因此在某些領域精確地測量兩個信號之間的相位差具有重要的意義，比如在比相法測向中。

　　本設計通過引入90度電橋和功分電路，將兩路需要鑒相的信號分成四路分別在兩個AD8302芯片中進行相位差檢測，通過兩路測試結果可以對兩路輸入信號進行精確鑒相，并且測試相位差范圍擴大到0°~360°。擴大了AD8302的應用范圍，并通過實際加工測試驗證了該電路。測試顯示本設計完全可以滿足0°~360°的相位差檢測。