信號源單音信號功率的精確調節與校準*

摘 要:首先介紹了功率調節通道的硬件設計，系統地闡述了前置程控衰減器、自動電平控制環路和后置120dB衰減器的功率調節過程，并詳細論述了這3個環節的校準原理和步驟。該校準方法具有操作步驟簡單、校準過程實時可控等特點，經校準后的信號源單音功率具有良好的線性，準確度可以達到0.1dBm，分辨率達到0.1dBm，輸出信號功率動態范圍典型值+15～-120 dBm@1 GHz。

*基金項目：中電儀器（安徽）公司電子測量儀器技術，蚌埠市技術創新中心項目《5G終端模擬測試技術》

0  引言

隨著現代移動通信技術的廣泛應用，針對廣播、雷達、電視等不同需求，各種體積小、操作靈活、可靠性高的專用信號源不斷涌現^[1]。作為電子系統中必不可或缺的關鍵組成部分，信號源主要用來提供激勵或模擬仿真信號。由于電子技術的快速發展，特別是5G技術的日趨成熟及商用，對信號源的要求越來越高，輸出頻率擴展到幾十G到上百GHz，頻率分辨率達到mHz甚至更小，頻率切換時間達到ns級；隨著高性能接收機以及大功率器件的出現，要求信號源具有更大的功率動態范圍，更高的功率準確度和分辨率。本文利用自動電平控制（ALC）穩幅電路方案^[2]，結合幾種性能優異的放大器和可控衰減器，提出了一種精確調節輸出功率的設計，并給出了單音功率的校準方法。

1   功率調節通道的硬件設計

信號（660M-6GHz）在第一本振板產生以后，經過開關帶通濾波器板濾除諧波以后進入矢量信號發生板，在這里加載不同制式的調制信號后，通過開關低通濾波器板過濾掉此前加載調制信號產生的諧波信號，進入到變頻板。變頻板主要起兩方面作用：①第1本振板信號(1.34~2.000 1) GHz和2 GHz本振板信號在這里混頻產生低頻信號（100 kHz~660 MHz），②實現信號功率的精確調節。從變頻板出來的信號已經是比較純凈的、具有穩定功率的調制信號或者單音信號，根據信號源輸出功率大小設置，大信號選擇放大通路，小信號選擇衰減通路，最終輸出所需要的射頻信號。射頻信號產生及處理的整個過程由主控軟件通過工控板進行全局控制^[3-4]，見圖1。

圖1 射頻信號產生及處理示意圖

2   單音信號功率的調節和校準

2.1 信號功率的調節過程

為了實現對功率大小的精確調節，采用自動電平控制（ALC）環路反饋控制方法。如圖2所示，我們在ALC環路（II）之前放置了1個程控衰減器和功率放大器（I），程控衰減器選用的是Hittite公司(注：2014年被ADI收購)的HMC624，工作頻段0~6 GHz，其衰減值通過6位二進制邏輯位來控制，可以實現最小步進0.5 dB，32 dB范圍衰減；功率放大器選用Firstar公司的FGB-1509A，其在1 MHz~9 GHz內的功率增益可達15 dB，采用5 V直流電壓供電。程控衰減器的衰減預置值一旦確定將不再更改，和功率放大器配合調整進入ALC環路的信號功率，主要起兩方面作用：①使當壓控衰減器處于衰減值較小時，功率鏈路上的器件工作在線性狀態，防止過載對功率器件造成損壞；②保證功率器件工作在線性狀態時，信號源整機最終輸出功率最大值能夠滿足企標要求。因此可以說第I部分對整個鏈路上的功率起到全局把控的作用^[5]。

圖2 ALC環路控制工作原理框圖

當信號源設置好所需要信號的功率時，CPU會將提前預置好的數值（通過功率校準獲得）送給FPGA進行處理，接著經DAC轉換成控制壓控衰減器的電壓信號。輸入信號首先進入壓控衰減器，然后經過功率放大器對信號進行放大，之后進入耦合電路，一路作為射頻輸出，另一路經耦合電路進入檢波器，產生1個檢波電壓，經ADC轉換成檢波數據，在FPGA里實現與CPU預置值進行求和運算，經D/A轉換后輸出反饋控制電壓控制壓控衰減器。如果由于溫度或其他原因ALC環路輸出功率變大，則檢波電壓變大，與參考預置值求和后產生的反饋控制電壓隨之變大，壓控衰減器衰減值變大，使輸出功率變小，最終使ALC環路輸出功率維持恒定數值^[6]。

根據信號源需要輸出功率的大小，ALC環路輸出信號將會選擇走放大通路還是衰減通路。后置放大通路選用的放大器是Hittite公司的HMC788ALP2E，適用頻段DC~10 GHz，增益可達+14 dB。后置衰減通路選用的是Hittite公司的HMC624，采用4片HMC624配合使用，實現步進10dB、范圍120dB內的可控衰減，具體見表2所示。一般來說經過校準過后，信號從變頻板輸出，在進入到后置放大器或衰減器之前的功率在0dBm左右，如果想要輸出1GHz、+10dBm的單音信號，就要通過放大通路；想要輸出1 GHz、-65 dBm的單音信號需要經過衰減通路。需要注意的是，信號功率經放大通路所能達到的最小值必須小于經衰減通路所能達到的最大值，否則會出現功率不連續現象。

2.2   單音信號功率的校準原理

2.2.1 獲取校準所用射頻同軸電纜的線損數據

在待校信號源中運行線損測試程序，遠程控制SMW200A向FSW26.5發送某校準頻點的單音信號，信號源會比較SMW200A發出信號的功率值與FSW26.5收到信號的測試值并求出差值，這樣就得到了當前校準頻點下射頻同軸電纜的線損數據。換到其他校準點，重復剛才的處理過程，獲得其他校準點的線損數據，形成文檔保存在信號源本地磁盤中，以備后續校準調用。

2.2.2 獲取前置程控數字衰減器的預置值

在待校信號源中運行預置值測試程序。測試程序首先設置信號源頻率，然后向前置程控衰減器HMC624發送一組數據 D_n 使其工作在某個衰減值下，生效后再向控制ALC環路模擬衰減器的DAC發送2組數據，一組數據使壓控衰減器衰減最大，另一組數據使壓控衰減器衰減為0，與此同時FSW26.5會分別測出這兩種情況下信號源發出的信號功率 P_no 和 P_n1 ，并被信號源測試程序讀取分析：若∣ P_n1 - P_no  | ≥30 dBm，且符合表1條件，則可以作為前置程控衰減器HMC624的備選預置值。值得說明的是通常滿足條件的 D_n 值不止一組，一般選擇使HMC624衰減最大的那一組作為預置值。當前頻點的預置值確定以后將切換到其他校準點，重復剛才的處理過程，獲得其他校準點的預置值，形成預置值文檔保存在信號源本地磁盤中不再改動，除非信號源硬件設計發生變化。

表2 ALC環路模擬衰減器衰減最小時值滿足條件

2.2.3 ALC環路校準

ALC環路校準是為了獲得CPU預置值作為基準，ALC環路輸出耦合回來的信號經檢波和AD轉換以后與CPU預置值進行累加，再經數模轉換成反饋調節電壓來控制壓控衰減器的衰減量，從而使輸出功率保持穩定。壓控衰減器選用的是Hittite公司的模擬電壓控制衰減器HMC346AMS8GE，其控制電壓為0～-3 V，適用頻段DC~8 GHz，可以在30 dB功率范圍內對信號進行衰減。FPGA發送的壓控衰減器控制數據是12位二進制數據，需要經過D/A轉換器和反相運放電路才能產生直接控制HMC346的0～-3 V的模擬控制電壓。具體校準過程如下：校準開始設定好校準頻點以后開始向D/A轉換器依次發送從000到FFF的壓控衰減器數字控制數據，FSW26.5會測出與每個衰減數據對應的信號源輸出功率，校準程序讀到該功率值并將該頻點的線損計算進去以后作為待校信號源的實際輸出功率，然后將校準頻點、衰減數據和實際功率值三者關聯保存起來，以后只要信號源設置了頻點和功率，CPU會把與之關聯的衰減數據調取出來，作為ALC環路功率參考值。該校準頻點下，000~FFF的壓控衰減數據發送完畢，且相關聯的功率值均已保存時，則當前頻點校準結束，校準程序會自動切換到下一個校準頻點，重復以上過程，直至整個信號源校準過程結束，校準數據會保存為本地文件供使用信號源時調用。

考慮到校準時間且功率調節通道上的器件基本工作在線性條件下，000~FFF共4 096個衰減數據不必全部發送，可以采取每隔20個或者30個發送1個衰減數據，實際校準時，1個頻點在30 dBm范圍里發送100～200個衰減數據即可，信號源在調用這100～200個衰減數據時，采用5次函數擬合，計算出其他功率點所對應的二進制衰減數據作為預置參考值。同樣，我們從100 kHz~6 GHz頻段中只選取了128個頻點作為校準頻點，如果要輸出信號頻率f_i、功率P_i的信號，f_i不在校準頻點上，而是落在了相鄰校準頻點 f_n-1 和 f_n 之間，則根據式(1)(2)算出頻率f_i、功率P_i對應的預置衰減數據D_i。

其中， D_i、D_n-1 與分別為功率P_i時頻率 f_i、f_n-1、f_n 對應的衰減數據。求得：

2.2.4 120 dB衰減器校準

120 dB衰減器在工作時不可能正好按照10 dB步進衰減，為了保證小功率信號的準確性，需要對120 dB衰減器進行校準。在ALC環路已經校準的基礎上開始進行衰減器校準，校準程序先設定好信號源當前校準頻點，輸出功率設置為0 dBm，校準程序通過GPIB線纜遠程控制FSW26.5，測出此時信號源的實際功率。然后開始按照表1向120 dB衰減器發送控制數據，使其衰減值從0~120 dB依次增加，用FSW26.5分別測出每一檔衰減下待校信號源發出的實際信號功率值（n=0,1,2…,12），并求出與輸出功率設置為0 dBm的信號源實際輸出功率的差值，取反后保存為  格式。當前頻點完成校準后，切換到下一校準頻點。直至所有頻點完成校準后匯合起來，形成衰減器校準數據文檔，存放在本地磁盤。

2.3   單音信號功率的校準過程

2.3.1 校準儀器及工具

信號源校準之前先按照表3備齊校準儀器和工具。

2.3.2 校準過程

1)線損數據校準。用GPIB轉USB線纜一端連接待校信號源前面板USB插口，另一端配合GPIB轉接器，連接FSW26.5和SMW200A的后面板上的GPIB插座口；用BNC線纜連接FSW26.5和SMW200A實現兩臺儀器共時基；用射頻同軸電纜連接SMW200A射頻輸出接口和FSW26.5的射頻輸入接口。打開各儀器開關，預熱0.5 h以后，按待校信號源屏幕左側按鈕【系統】，按【校準調試】，進入校準設置界面。設置好起始頻率和終止頻率，按【線損校準】，開始進行線損數據校準。幾分鐘以后彈出“校準完成”窗口，點擊“確認”，校準數據自動按照設定好的路徑保存起來，線損校準結束。

2)前置程控衰減器HMC624預置值校準。用GPIB轉USB線纜一端連接待校信號源前面板USB插口，另一端連接FSW26.5后面板上的GPIB插座口；用BNC線纜連接待校信號源和FSW26.5實現兩臺儀器共時基；用射頻同軸電纜連接SMW200A射頻輸出接口和FSW26.5的射頻輸入接口。進入到校準調試界面，設置好起始頻率和終止頻率，按【HMC624校準】【開始】，校準開始，校準完成后會彈出提醒窗口，點擊“確認”后，需要返回進入校準調試界面第2頁，按【保存衰減器數據】，衰減器校準數據會按照指定路徑保存起來，并即時生效，衰減器校準結束。

3)ALC環路校準。前置程控衰減器HMC624預置值校準完成以后，才能開始進行ALC環路校準。進入到待校信號源校準調試界面第一頁，設置好起始頻率和終止頻率，按【ALC環路校準】【開始】，校準開始。如圖3所示為信號源ALC環路校準過程中的輸出功率值與CPU衰減預置值的關系曲線圖。從圖中可以看出在校準了1GHz頻點下-16～+14 dBm的功率。校準完成后會彈出提醒窗口，點擊“確認”后，需要返回進入校準調試界面第2頁，按【保存放大路ALC】，ALC環路校準數據會按照指定路徑保存起來，并即時生效，至此ALC環路校準結束。

圖3 ALC環路校準曲線圖

4)120 dB衰減器校準。進入到待校信號源校準調試界面第1頁，設置好起始頻率和終止頻率，按【衰減器校準】【開始】，校準開始。如圖4所示為校準過程中的輸出功率值與120 dB衰減器衰減預置值的關系曲線圖。看出正常情況下校準曲線基本是一條直線，從圖中可以看出在末端已經出現了非線性現象，這是因為輸出信號功率達到-120 dBm時（此時衰減器的衰減值達到100 dB）受到了底噪的影響。校準完成后會彈出提醒窗口，點擊“確認”后，返回進入校準調試界面第二頁，按【保存衰減器數據】，衰減器校準數據會按照指定路徑保存起來，并即時生效，120 dB衰減器校準結束。

圖4 120dB衰減器校準曲線圖

3   校準結果及分析

用FSW26.5測量已經校準完成的信號源發出的單音信號功率，直接測量結果如表5、表6和表7所示，表中數據包含了測試電纜的線損，線損值見表4所示。由表5并結合表4可以看出，校準后信號源輸出信號功率的準確度在-0.1 dB以內，且在-110～+5 dBm范圍內具有良好的線性；根據表6的數據可以看出信號源輸出功率分辨率達到0.1 dB；由表7可知低頻時輸出最大功率在+5 dBm以上，高頻時輸出最大功率在+12 dBm以上，在(0.1～6 000) MHz頻段內最小輸出功率低于-120 dBm。

表4 部分頻點下測試用電纜的線損值表

表5 功率準確度和功率線性度測試記錄表

表6 功率分辨率測試記錄表

4   結論

利用本文提出的功率調節方案進行設計并通過文中提出的校準方法進行校準的信號源，在低于6 GHz的工作頻段，具有較高的功率準確度（精確到0.1 dBm以內）和功率分辨率（0.1 dB），較寬的功率動態輸出范圍（10 MHz 以內頻段為-120～+5 dBm，10 MHz～6 GHz頻段為-120～+12dBm），較好的功率線性度，性能穩定，是一種理想的信號源。 

表7 功率動態范圍測試記錄表

參考文獻：

[1]   于乃益.10MHz到10GHz信號源的設計與實現[D].成都:電子科技大學,2013.

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[6]   張煜.信號源的ALC環路設計[J].國外電子測量技術,2007(05):29-31.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2020年8月期）