基于AD8302相位差測量系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)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(gè)獨(dú)立的射頻(RF)、中頻(IF)或低頻信號(hào)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(nèi)部包含2個(gè)精密匹配的寬帶對數(shù)放大器、1個(gè)寬帶相位檢測器、1.8V精密基準(zhǔn)源，以及模擬標(biāo)定電路和接口電路，AD8302能精確測量兩個(gè)信號(hào)之間的幅度和相位差主要基于對數(shù)放大器的對數(shù)壓縮功能，通過精密匹配的兩個(gè)寬帶對數(shù)檢波器來實(shí)現(xiàn)對兩輸入通道的幅度和相位差測量，能同時(shí)測量從低頻到2.7GHz頻率范圍內(nèi)2個(gè)輸入信號(hào)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(shè)備的檢測。

　　圖1 芯片AD8302的內(nèi)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(yīng)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(dāng)相位差Δφ=0°時(shí)，輸出電壓為1.8V,當(dāng)Δφ=180°時(shí)，輸出電壓為30mV,輸出電流為8mA.相位輸出時(shí)的轉(zhuǎn)換速率為30MHz,響應(yīng)時(shí)間為40ns~500ns.AD8302的相位差響應(yīng)曲線如圖2所示，從圖中可以看出，從-180°~+180°，相位檢測結(jié)果是用0~1.8V的電壓值來表示的，這將引入一個(gè)模糊的測量結(jié)果。比如當(dāng)相位變化是45°和-45°時(shí)，檢測結(jié)果將輸出1個(gè)相同的值，而無法判斷是哪個(gè)值，因此該芯片的測量范圍比較小。這也影響了該芯片的應(yīng)用范圍。

　　本設(shè)計(jì)鑒相電路的介紹

　　本設(shè)計(jì)通過增加一個(gè)90度電橋和一個(gè)功分器來實(shí)現(xiàn)基于AD8302的0°到360°的相位差檢測。電路結(jié)構(gòu)如圖3所示兩路輸入的射頻信號(hào)RF1和RF2,第一路信號(hào)RF1通過一個(gè)90度的電橋分成兩路正交信號(hào)φ1,φ1',第二路信號(hào)RF2通過功分器分成兩路相位相等的信號(hào)φ2.假設(shè)兩路信號(hào)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(yīng)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(hào)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(hào)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(yīng)為45mV,如果兩路輸入信號(hào)的相位差-45°，則下路的兩路輸入信號(hào)相位差為45度，輸出電壓應(yīng)為135mV,這樣就可以判斷兩路信號(hào)RF1和RF2的相位差是45°還是-45°。

　　圖2 AD8302的相位差響應(yīng)曲線

　　圖3 本設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)圖　　具體電路設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(yōu)于9°。AD8302的單元電路如圖4所示，由于本設(shè)計(jì)只限于相位差檢測，因此將幅度差檢測輸出腳接一個(gè)電阻到地。

　　圖4 AD8302相位檢測電路

　　電路設(shè)計(jì)和加工

　　為便于調(diào)試，功分電橋電路和AD8302鑒相電路分開加工，分開調(diào)試合格后通過等長的電纜連接到一起進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。使用Protel 99版圖設(shè)計(jì)軟件對本設(shè)計(jì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，板材選用Rogers4003c,厚度0.508mm,介電常數(shù)為3.38.版圖設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證電橋輸出的兩路到AD8302輸入端的時(shí)候經(jīng)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(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，同樣分兩個(gè)腔體設(shè)計(jì)。最終的設(shè)計(jì)實(shí)物圖如圖6所示。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻率源、示波器對本設(shè)計(jì)進(jìn)行測試，鑒相電路滿足各設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，鑒相范圍為0°到360°，工作頻率可達(dá)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(shè)計(jì)版圖示意圖

　　圖6 本設(shè)計(jì)的實(shí)物圖

　　總結(jié)

　　在實(shí)際的雷達(dá)裝備性能測試中，經(jīng)常會(huì)遇到需要檢測兩個(gè)信號(hào)之間的相位差的問題，以此來獲得一些雷達(dá)信號(hào)的頻率、方位等特性。在研究網(wǎng)絡(luò)相頻特性中，這也是不可缺少的重要方面。因此在某些領(lǐng)域精確地測量兩個(gè)信號(hào)之間的相位差具有重要的意義，比如在比相法測向中。

　　本設(shè)計(jì)通過引入90度電橋和功分電路，將兩路需要鑒相的信號(hào)分成四路分別在兩個(gè)AD8302芯片中進(jìn)行相位差檢測，通過兩路測試結(jié)果可以對兩路輸入信號(hào)進(jìn)行精確鑒相，并且測試相位差范圍擴(kuò)大到0°~360°。擴(kuò)大了AD8302的應(yīng)用范圍，并通過實(shí)際加工測試驗(yàn)證了該電路。測試顯示本設(shè)計(jì)完全可以滿足0°~360°的相位差檢測。