CN104316759B - 一种连续波功率探头 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种连续波功率探头，包括：微波检波电路A1和大动态范围检波电压处理电路A2；其中，微波检波电路A1置于砷化镓衬底之上，并且密封在一腔体内部；大动态范围检波电压处理电路A2位于印制板中，并通过金属外壳密封。本发明提出了一种基于MMIC技术、90dB动态范围的连续波功率探头，该探头通过电缆与连续波功率计主机连接，实现了单个探头在频率范围为10MHz～18GHz的动态范围达到90dB，实现了连续波功率的准确测量。
Description
技术领域
本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种连续波功率探头。
背景技术
功率是微波信号最基本、最重要的参数之一，几乎所有的电子设备和电子元器件的研制、生产，都需要功率计对其进行功率测试。微波功率探头是微波功率计最核心的组件，微波功率探头的性能决定着微波功率计的核心指标。
现有的微波功率探头是在砷化镓衬底上设计小型微带电路，将两片肖特基二极管和检波电容对称的焊接在微带电路上，并将微带电路密封在一个空间狭小的腔体内部。
现有的微波功率探头存在着以下缺点：
(1)检波电路面积小，对器件焊接的要求很高，器件焊接时存在很大的问题，如双检波二极管焊接位置不完全对称会造成检波平衡性差；不同金属连接会形成较大的电位差；检波平衡性差和电位差大会影响到功率探头对小功率测量的准确度。
(2)二极管检波电路由分离元器件设计，存在着检波输出一致性较差，特别是检波输出的线性和频响特性，即使同一批次的功率探头都存在较大的差距。
(3)由于检波电路面积小，微带线很短，在焊接过程中如果操作不规范或者温度过高，很容易损坏检波电路的微带线，造成一定数量的残次品。
发明内容
针对现有的微波功率探头存在的上述缺点，本发明提出了一种连续波功率探头，该探头通过电缆与连续波功率计主机连接，实现了单个探头在频率范围为10MHz～18GHz的动态范围达到90dB，实现了连续波功率的准确测量。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种连续波功率探头，包括：微波检波电路A1和大动态范围检波电压处理电路A2；其中，微波检波电路A1置于砷化镓衬底之上，并且密封在一腔体内部；大动态范围检波电压处理电路A2位于印制板中，并通过金属外壳密封；
信号输入端采用了悬置共面波导结构，输入信号通过N型同轴接头L1接入，在密封腔体内部与垂直放置的圆形金箔片L2垂直接触，具有弹性的波纹管L3与圆形金箔片L2接触，通过波纹管的弹性，将N型同轴接头L1、圆形金箔片L2、波纹管L3连接起来，波纹管L3接到砷化镓衬底之上的微带传输线；
MMIC检波芯片N1接收接入的输入信号，输出正、负两路检波电压；
正系数热敏电阻R3与微波检波电路A1位于一个密封腔体内部；
正检波输出通过导线L4、负检波输出通过导线L5接到大动态范围检波电压处理电路A2中，通过导线L6将微波检波电路A1和大动态范围检波电压处理电路A2的地平面进行连接；
低漂移平衡斩波器N2将正、负两路检波电压斩波成为一路交流方波信号，低漂移平衡斩波器N2的控制信号由功率计主机通过导线L13接入；
量程转换器N3包括两个量程，一个低量程，一个高量程；功率范围为-70dBm～-10dBm的检波后的交流方波信号通过低量程通道；功率范围在-15dBm～+20dBm的检波后的交流方波信号通过高量程通道，量程转换器的控制信号由功率计主机通过导线L12接入；
量程转换器N3输出信号的斩波通道上还设置隔直电容C5；
晶体管V3与电阻R8、R9以及功率计主机中的低噪声精密运算放大器共同构成级联负反馈运算放大电路，对斩波交流信号初步放大；
导线L17将探头印制板与功率计主机进行共地连接。
可选地，所述信号输入端还包括由衰减器R1和匹配网络R2共同建立的阻抗匹配网络。
可选地，所述MMIC检波芯片N1内部包括两片低势垒肖特基二极管V1、V2和两片视频滤波电容C1、C2；两片低势垒肖特基二极管V1、V2在MMIC检波芯片N1内部采用平衡的配置方式，围绕共面传输线的中心对称地沉淀而成，以推挽方式进行激励，两片视频滤波电容C1、C2分别接在两片低势垒肖特基二极管V1、V2之后，输出正、负两路检波电压。
可选地，所述正系数热敏电阻R3电阻值变化确定温度变化，建立温度变化与检波输出的对应关系，根据该对应关系对检波电压进行软件补偿。
可选地，温度偏置电阻R4、R5与所述热敏电阻R3组成一个电阻网络，当温度发生变化，热敏电阻R3阻值发生变化，导线L14上电压发生变化。
可选地，所述低漂移平衡斩波器通过开关噪声抑制电容C3、C4抑制噪声尖峰。
可选地，所述量程转换器N3包括两个量程，一个是1:1增益的低量程，一个是1:134增益的高量程；功率范围为-70dBm～-10dBm的检波后的交流方波信号通过1:1低量程通道；功率范围在-15dBm～+20dBm的检波后的交流方波信号通过1:134增益的高量程通道，进行134倍的衰减。
可选地，本发明的连续波功率探头还包括：IIC总线存储器N4，保存着探头的信息，探头信息数据通过IIC总线写入IIC总线存储器N4，主机通过IIC总线将探头信息数据读出。
可选地，主机通过导线L15送入+7V的电源，经正电压低压差稳压器N5后输出+5V的电源；主机通过导线L16送入-7V的电源，经负电压低压差稳压器N6后输出-5V的电源；+5V、-5V电源为MMIC检波芯片N1、低漂移平衡斩波器N2、量程转换器N3、IIC总线存储器N4提供工作电源。
可选地，所述微波功率探头由金属外壳密封封装。
本发明的有益效果是：
(1)焊接方便，不会因为焊接而损坏电路，成品率高；
(2)检波输出的线性和频响特性一致性好，检波平衡性高，消除不同金属连接造成的电位差，提高了小信号测量的准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种连续波功率探头的电路原理图；
附图标记：
A1：微波检波电路；
A2：大动态范围检波电压处理电路；
L1：N型同轴接头；
L2：圆形金箔片；
L3：波纹管；
R1：3dB衰减器；
R2：50欧匹配网络；
N1：MMIC检波芯片；
V1、V2：MMIC检波芯片内的低势垒肖特基二极管；
C1、C2：MMIC检波芯片内的视频滤波电容；
R3：正系数热敏电阻；
L4、L5、L6、L7：纯金导线；
X1：塑料压头；
N2：低漂移平衡斩波器；
C3、C4：斩波器开关噪声抑制电容；
N3：量程转换器；
C5：斩波通道隔直电容；
V3：共射极高β双极晶体管；
R8、R9：负反馈运算放大器的增益电阻；
N4：IIC总线存储器；
N5：正电压低压差稳压器；
N6：负电压低压差稳压器；
X2：双排扁平电缆插座中；
X3：12芯圆形插座。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的连续波功率探头包括两部分：微波检波电路A1和大动态范围检波电压处理电路A2，其中微波检波电路A1置于砷化镓衬底之上，并且密封在一腔体内部；大动态范围检波电压处理电路A2位于RF4材质的印制板中，并通过金属外壳密封。
连续波功率探头的信号输入端采用了悬置共面波导结构，输入信号通过N型同轴接头L1接入，在密封腔体内部与垂直放置的圆形金箔片L2垂直接触，具有弹性的波纹管L3与圆形金箔片L2接触，通过波纹管的弹性，将L1、L2、L3连接起来，L3接到砷化镓衬底之上的微带传输线。
优选地，连续波功率探头的信号输入端还包括由衰减器R1和匹配网络R2共同建立的阻抗匹配网络，改善输入端口的驻波比，并提高了功率探头的抗烧毁能力和可靠性，例如衰减器R1为3dB，匹配网络R2为50欧。
MMIC检波芯片N1接收接入的输入信号，N1为采用MMIC技术设计集成双二极管检波器和滤波电容的MMIC检波芯片。在MMIC检波芯片N1内部包括两片低势垒肖特基二极管V1、V2和两片视频滤波电容C1、C2。V1、V2在MMIC检波芯片N1内部采用平衡的配置方式，围绕共面传输线的中心对称地沉淀而成，以推挽方式进行激励，抑制了输入信号中偶次谐波造成的测量误差，从而改善信号的检测质量，提高了小信号测量的准确度。C1、C2分别接在V1、V2之后，滤除载波信号，完成连续波信号检波，输出正、负两路检波电压。
正系数热敏电阻R3与微波检波电路位于一个密封腔体内部，在-40℃～+85℃温度范围内，R3阻值与温度呈正向线性变化，R3准确反映腔体内部温度变化。由于V1、V2的检波输出电压受环境温度影响比较大，因此可以通过R3电阻值变化确定温度变化，建立温度变化与检波输出的对应关系，根据该对应关系对检波电压进行软件补偿。
正检波输出通过导线L4、负检波输出通过导线L5接到大动态范围检波电压处理电路A2中，L4～L7为纯金导线，采用纯金导线原因是金具有更好的导电性，通过导线L6将微波检波电路A1和大动态范围检波电压处理电路A2的地平面进行连接，降低两个单元的地电位差噪声。导线L4～L7在大动态范围检波电压处理电路A2上，通过塑料压头X1将金线压接在大动态范围检波电压处理电路A2的焊盘上，大动态范围检波电压处理电路A2焊盘为镀金焊盘，通过压接方式能够减小不同材质连接时的结电容对信号的影响，保证小信号测量的准确度。
检波输出的正、负两路检波电压为低频或者直流信号，而对于低频或者直流信号，1/f(1/频率)噪声为最主要的噪声源，1/f噪声由半导体材料的物理特性决定，因此集成运算放大器等半导体器件的放大电路无法直接实现对微弱直流信号的放大。本发明采用了低漂移平衡斩波器N2，将正、负两路检波电压斩波成为一路交流方波信号，规避了元器件本身的1/f(1/频率)噪声对检波信号的干扰。低漂移平衡斩波器N2的控制信号由功率计主机通过导线L12接入，斩波器的斩波频率为400Hz。
由于斩波器在导通和关断的瞬间会产生干扰信号，干扰信号加载在有用信号中，在斩波生成的方波信号的升沿和下降沿处会出现噪声尖峰，斩波器开关噪声抑制电容C3、C4用以抑制噪声尖峰。
由于探头功率范围很宽，因此需要在探头内部对检波电压进行分段处理。量程转换器N3包括2个量程，一个是1:1增益的低量程，一个是1:134增益的高量程。功率范围为-70dBm～-10dBm的检波后的交流方波信号通过1:1低量程通道；功率范围在-15dBm～+20dBm的检波后的交流方波信号通过1:134增益的高量程通道，进行134倍的衰减。量程转换器的控制信号由功率计主机通过导线L12接入。
量程转换器N3输出信号的斩波通道上还设置隔直电容C5，滤除斩波信号中的直流分量。
共射极高β双极晶体管V3与电阻R8、R9以及功率计主机中的低噪声精密运算放大器共同构成级联负反馈运算放大电路，实现对斩波交流信号的初步放大。
IIC总线存储器N4保存着探头的信息，如探头型号、编号、线性数据、频响补偿数据、温度补偿数据等。探头信息数据通过IIC总线写入IIC总线存储器N4，导线L8为SCL(串行时钟线)，导线L9为SDA(串行数据线)，在工作时，主机通过IIC总线将探头信息数据读出，并在测量过程中参与运算。
主机通过导线L15送入+7V的电源，经正电压低压差稳压器N5后输出+5V的电源；主机通过导线L16送入-7V的电源，经负电压低压差稳压器N6后输出-5V的电源。+5V、-5V电源为MMIC检波芯片N1、低漂移平衡斩波器N2、量程转换器N3、IIC总线存储器N4提供工作电源。
温度偏置电阻R4、R5与热敏电阻R3组成一个电阻网络，当温度发生变化，R3阻值发生变化，则导线L14上电压发生变化。
导线L17将探头印制板与功率计主机进行共地连接。
导线L8～L17在印制板上接到双排扁平电缆插座X2中，通过插头和电缆将X2与12芯圆形插座X3连接在一起，12芯圆形插座X3固定在微波功率探头的机架上。
微波功率探头由金属外壳密封封装。
本发明提出了一种基于MMIC技术(单片集成电路)、90dB动态范围的连续波功率探头，该探头通过电缆与连续波功率计主机连接，实现了单个探头在频率范围为10MHz～18GHz的动态范围达到90dB，实现了连续波功率的准确测量。
本发明的连续波探头实现的典型指标为：
频率范围：10MHz～18GHz；
功率范围：-70dBm～+20dBm；
功率测量准确度：±0.17dB(-40dBm～+20dBm)。
本发明的连续波功率探头不能单独完成功率测量，其需要由12芯软电缆与微波功率计主机连接，共同完成微波功率测量。
微波功率计主机需要完成以下工作：
在主机内的运算放大器与V3、R8、R9构成高增益、低噪声的信号放大电路，对功率信号进行初步放大；
对大动态范围的信号分量程放大、滤波和A/D采样，在软件中对采样ADC进行去斩波处理，并对采样ADC数据进行线性补偿、频响补偿和温度补偿，将ADC数据转换为准确的功率值；
为探头提供+7V、-7V电源；
通过IIC总线，向探头N3写入或者读出探头数据。
本发明的连续波功率探头焊接方便，不会因为焊接而损坏电路，成品率高；检波输出的线性和频响特性一致性好，检波平衡性高，消除不同金属连接造成的电位差，提高了小信号测量的准确度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种连续波功率探头，其特征在于，包括：微波检波电路(A1)和大动态范围检波电压处理电路(A2)；其中，微波检波电路(A1)置于砷化镓衬底之上，并且密封在一腔体内部；大动态范围检波电压处理电路(A2)位于印制板中，并通过金属外壳密封；
微波检波电路(A1)包括MMIC检波芯片(N1)，微波检波电路(A1)的信号输入端采用了悬置共面波导结构，输入信号通过N型同轴接头(L1)接入，在密封腔体内部与垂直放置的圆形金箔片(L2)垂直接触，具有弹性的波纹管(L3)与圆形金箔片(L2)接触，通过波纹管的弹性，将N型同轴接头(L1)、圆形金箔片(L2)、波纹管(L3)连接起来，波纹管(L3)连接至砷化镓衬底之上的微带传输线；
MMIC检波芯片(N1)接收接入的输入信号，输出正、负两路检波电压；
正系数热敏电阻(R3)与微波检波电路(A1)位于一个密封腔体内部；
正检波输出通过导线(L4)、负检波输出通过导线(L5)连接至大动态范围检波电压处理电路(A2)中，通过导线(L6)将微波检波电路(A1)和大动态范围检波电压处理电路(A2)的地平面进行连接；大动态范围检波电压处理电路(A2)包括低漂移平衡斩波器(N2)、量程转换器(N3)、晶体管(V3)；
低漂移平衡斩波器(N2)将正、负两路检波电压斩波成为一路交流方波信号，低漂移平衡斩波器(N2)的控制信号由功率计主机通过导线(L13)接入；
量程转换器(N3)包括两个量程，一个低量程，一个高量程；功率范围为-70dBm～-10dBm的检波后的交流方波信号通过低量程通道；功率范围在-15dBm～+20dBm的检波后的交流方波信号通过高量程通道，量程转换器的控制信号由功率计主机通过导线(L12)接入；
量程转换器(N3)输出信号的斩波通道上还设置隔直电容(C5)；
晶体管(V3)与电阻(R8、R9)以及功率计主机中的低噪声精密运算放大器共同构成级联负反馈运算放大电路，对量程转换器(N3)输出的斩波交流信号初步放大；
导线(L17)将探头印制板与功率计主机进行共地连接。
2.如权利要求1所述的连续波功率探头，其特征在于，所述信号输入端还包括由衰减器(R1)和匹配网络(R2)共同建立的阻抗匹配网络。
3.如权利要求1所述的连续波功率探头，其特征在于，所述MMIC检波芯片(N1)内部包括两片低势垒肖特基二极管(V1、V2)和两片视频滤波电容(C1、C2)；两片低势垒肖特基二极管(V1、V2)在MMIC检波芯片(N1)内部采用平衡的配置方式，围绕共面传输线的中心对称地沉淀而成，以推挽方式进行激励，两片视频滤波电容(C1、C2)分别接在两片低势垒肖特基二极管(V1、V2)之后，输出正、负两路检波电压。
4.如权利要求1所述的连续波功率探头，其特征在于，所述正系数热敏电阻(R3)电阻值变化确定温度变化，建立温度变化与检波输出的对应关系，根据该对应关系对检波电压进行软件补偿。
5.如权利要求4所述的连续波功率探头，其特征在于，温度偏置电阻(R4、R5)与所述热敏电阻(R3)组成一个电阻网络，当温度发生变化，热敏电阻(R3)阻值发生变化，导线(L14)上电压发生变化。
6.如权利要求1所述的连续波功率探头，其特征在于，所述低漂移平衡斩波器通过开关噪声抑制电容(C3、C4)抑制噪声尖峰。
7.如权利要求1所述的连续波功率探头，其特征在于，所述量程转换器(N3)包括两个量程，一个是1∶1增益的低量程，一个是1∶134增益的高量程；功率范围为-70dBm～-10dBm的检波后的交流方波信号通过1∶1低量程通道；功率范围在-15dBm～+20dBm的检波后的交流方波信号通过1∶134增益的高量程通道，进行134倍的衰减。
8.如权利要求1所述的连续波功率探头，其特征在于，还包括：IIC总线存储器(N4)，保存着探头的信息，探头信息数据通过IIC总线写入IIC总线存储器(N4)，主机通过IIC总线将探头信息数据读出。
9.如权利要求1所述的连续波功率探头，其特征在于，主机通过导线(L15)送入+7V的电源，经正电压低压差稳压器(N5)后输出+5V的电源；主机通过导线(L16)送入-7V的电源，经负电压低压差稳压器(N6)后输出-5V的电源；+5V、-5V电源为MMIC检波芯片(N1)、低漂移平衡斩波器(N2)、量程转换器(N3)、IIC总线存储器(N4)提供工作电源。
10.如权利要求1所述的连续波功率探头，其特征在于，所述微波功率探头由金属外壳密封封装。
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