最近做了一些自动测试系统以及XX模拟器(关键字屏蔽),里面都涉及到功率步进调节,最低调节到-10到-120dbm。
如果功率衰减到-20dbm,在宽带或者窄带下面,都好实现,但是功率非常低的时候,就很难,很难。
功率10db,就是10倍,我们记得30dbm是1w,那么20dbm就是0.1w,依次类推-120dbm的时候,功率是0.000000000000001W,由此可见功率是非常的若,而且检测的仪器都不能再用功率计了,常见的RS或者安捷伦功率计动态范围在+25到-60dbm之间,因此只能通过频谱分析仪看功率,而且要求频谱仪的低噪声必须在-130以下才能有效的看见,而且在-120dbm 的功率,抖动很厉害 了,其实不是功率抖动,而是仪器测量极限了。我们常见的安捷伦或者RS信号源也可以衰减到-120dbm,其基本原理类似。
好了基本的我们介绍完了,那么我们下面就说说怎么实现吧,我拿一个1-3GHz的频段来说吧,因为这个频段衰减器多,好选择,而且实现也很方便,大家都可以自己做测试,如果是几十个Ghz,无论是隔离或者是衰减精度和器件都非常难选择,下面是整个频率源链路:
首先我们选用一个锁相环作为频率源,输出10dbm的功率,频率源输出以后,必须要经过滤波器滤除带外杂散和谐波,至于本频段的谐波,可以采用分段形式进行开关滤波(如果谐波要求不高,可不滤波)。然后我们采用一个系统关键部件-------ALC部件,本部件的作用是什么呢??
我们先来个ALC的框图
ALC从框图上可以看出,主要功能便是稳定功率和调节功率的作用,是一个闭环系统,因此其受环境温度影响较小。我们使用过安捷伦或者RS信号源的同志们就应该有经验,在调节小步进功率的时候,仪器里面不会发出啥声音,在调节大步进(10db)时候,就会听到里面咔咔咔的声音,不错,没声音的时候,功率在下降,是因为那个时候调节的是ALC。我们在ALC模块的后级采用功分器而不采用耦合器是为什么呢?因为功分器的平坦度远远好于耦合器,因此在提高系统精度的时候,就得用功分器更好。
在ALC输出后,加一个隔离器,隔离器的作用就在于与ALC配合,减小ALC功分器输出的驻波。同时对于稳定功率有很好的效果,比如信号需要脉冲调制或者其他调制的时候,隔离器起到了隔离的作用,因为ALC对于连续波的功率稳定效果很好,对于脉冲波形的信号进行稳住是很困难的精度也很难做到很高。
ALC谈完了,然后就说程控衰减器,程控衰减器分为数字程控衰减,模拟程控衰减,以及机电程控衰减,其中模拟程控衰减,我们这里用在了ALC 上,在后端的信号功率调节上,我们主要采用数字程控衰减和机电程控衰减。
机电程控衰减,直观点,就是继电器和衰减片构成的衰减器,其衰减精度高,温度特性好,衰减线性度好。但是价格非常贵的哈,比如安捷伦程控衰减、Weinschel 的3G以内的频率,都要将近8k人民币一个,频率高的,价格更高。国产的上海华湘,1db步进的,也得5k人民币呀,因此还是很贵的,适合高精度场合,适用于一起一类。
本章节主要讲解如何用芯片实现数控衰减器,芯片又分为了裸片和封装片,裸片需要微组装工艺,因此这里主要说芯片衰减器,常见的主要有HMC472,HMC539等等,
在隔离器输出后,信号进入程控衰减器,输入信号功率大约为-4dbm,因为芯片衰减器的插损每一片大约有2db的插损,而且衰减器的幅频特性是在低频率的时候,插损小,高频率的时候插损大,因此我们要保证低端的功率足够,那么高端,肯定就足够了。
这里我们主要讲怎么做程控衰减器:首先程控衰减器我们选择供电为12V,实际上芯片电压为5V,控制电压也为5V,我们选12V 的原因是我们在每一个芯片的前端家一个LDO芯片,为了避免电源噪声带来的干扰,LDO我们选择低噪声的LDO,进行电压隔离,这个很关键,否则我们会很受伤的哈。在每一级开关之间,我们通过腔体隔条分离开来,让低功率不收高功率的影响。在每一个控制线上面,串联一个电阻,同时并联一个10pf电容到地(如果控制速度要求很高,这里可以不接电容)。在芯片的电源输入端,加5欧姆电阻,因为当射频信号经过电源串回来的时候,5欧姆电阻相当于负载一样会吸收掉一些,再经过电源芯片和电容,基本就很干净了。
最后我们再说一个关键的地方,那就是射频电缆,最好是用硬电缆,因为硬电缆的屏蔽效果比软电缆好一些,保证了射频指标。
到这里频率源设计就完了,主要是注意一些细节,和电磁屏蔽。电磁屏蔽和泄露在低功率频率源里面就体现的非常关键了。