小型化宽带功率检测模块设计与实现

摘要

微波功率测量在微波通信、雷达、环境遥感和医学研究等领域有重要的学术和商用价值，现代微波功率测量技术正朝着小型化、模块化和宽频带等方向发展。本文分析了当今国内外微波功率测量技术的发展状况，结合宽带微波大功率相关项目的需求制定了小型化宽带功率检测模块的总体指标和实施方案。主要由微波功率耦合器、开关滤波器组、微波功率检波以及显示与保护电路四部分组成。
　　采用通过式测量法，在ADS09和IE3D中设计了带状线定向耦合器，使功率测量系统可嵌入待测系统中进行实时监测。耦合器使用频段为6GHz~18GHz，耦合度为20±0.7dB，方向性优于16dB，插损小于0.3dB，驻波比小于1.2，尺寸较小。由于工程应用中，微波信号常夹杂着谐波，本系统采用开关滤波器组实现基波与谐波的分开测量，这是本测量系统的创新之处。微波开关选用了高性能的Agilent N1810UL机电同轴开关，频率高达26.5GHz，插损小于0.7dB，单刀双掷。滤波器组由6GHz~10GHz、10GHz~18GHz两通道悬置带状线带通滤波组成，拥有悬置带线高Q值、低损耗的特性。两带通滤波器的插损小于0.5dB，反射大于15dB，带外抑制大于40dB（偏300MHz），性能相近。微波功率检测系统的核心部分是微波功率检波模块，也是本文的设计重点。采用二极管前端宽带匹配，后端低通滤波的电路模型，设计了基于SMS7630-061的肖特基二极管检波器。使用S参数仿真出其反射和插损，谐波平衡仿真得出输入功率-输出电压曲线，加工装配好的检波器在6GHz~18GHz频段内，功率量程为-35dBm至10dBm。
　　显示与保护电路模块作为后端信号处理部分，需要将检波模块的模拟信号转换为数字信号，然后经算术均值滤波、查表和分段线性插值等算法处理后得出相应的功率值。本系统ADC模块采用24位的ADS1220，采样精度高；核心控制器是ARM系列的STM32F103VCT6，集成功能丰富；输入输出通过USART和LCD触屏实现不同场合下的人机交互。此外，当比较器检测到功率超过一定阈值时，将控制MOSFET开关电路，切断信号或是电源以保护微波系统中的关键部件。最后分析了测量系统中存在的失配误差和温度误差，并提出了相应的误差修正方法。
　　最终完成了小型化宽带功率检测模块的设计。该系统尺寸较小（约为250mm*75mm*55mm），连接形式灵活，成本低，能实时准确地检测6GHz~18GHz宽带微波信号的功率（平均功率），实现基波功率和谐波功率的分开测量；功率量程为-15dBm~30dBm，测量误差小于等于±0.4dB；具有小型化、数字化、准确性和重复性良好等特性，并具备功率过载报警及对微波电路系统的自动保护功能。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究动态

1.3 研究目标

1.4 本论文的主要工作

第二章 微波功率测量理论和技术

2.1 微波功率测量原理

2.2 微波功率测量系统框架

2.3 微波功率测量系统的连接方式

2.4 微波功率测量的相关技术

2.5 本章小结

第三章 微波功率测量系统方案和微波模块的设计与实现

3.1小型化宽带功率检测模块系统方案设计

3.2耦合器模块的设计与实现

3.3 开关滤波器组模块的设计与实现

3.4 微波检波器模块的设计与实现

3.5 本章小结

第四章 微波功率显式及保护电路模块的设计与实现

4.1 ADC模数转换电路的设计与实现

4.2 功率显示电路的设计与实现

4.3 功率过载保护电路的设计与实现

4.4 本章小结

第五章 系统误差的分析和修正

5.1 系统误差分析

5.2 系统误差修正方法的实现

5.3 系统误差修正方法的性能分析

5.4 本章小结

第六章 系统集成及各模块测试方法与结果分析

6.1 耦合器模块的测试方法与结果分析

6.2 开关滤波器组的测试方法与结果分析

6.3 微波检波器的测试方法与结果分析

6.4 显式及保护电路模块的测试方法与结果分析

6.5 系统集成校准及测试方法与结果分析

第七章 结论与展望

致谢

参考文献