一种高精度RF信号幅相检测电路的设计

一、引言

    在实际的RF 电路设计中，经常会遇到检测两个信号之间的幅度比（增益）和相位差的 问题，这也是研究网络相频特性中不可缺少的重要方面。在某些特殊领域，尤其是在一个精 确的窄频段内来进行测量的要求下，这种电路设计更是有着重要的意义。本文设计了一种基 于BESSEL 带通滤波器和AD8302 芯片 [1] 的幅相检测电路，并对四阶BESSEL 带通滤波器进行 了仿真，在仿真的基础上分析了AD8302 芯片的检测原理和对结果的分析。

二、方案选择

    由于传统的幅相检测电路需要采用多个中小规模集成电路,不仅电路复杂,精度低,而 且适用的频率范围窄,只能测量低频或中频信号。再加上RF 电路中的输入信号中包含着功率 源产生的高次谐波和空间多种电磁波的干扰，可能会产生情况不明的干扰信号。这些信号显 然对有用信号会产生十分不利的干扰，需要一个带通滤波器来把其滤除掉，只留下有用的信 号。因此，我们采用带通滤波器和AD8302 芯片相结合的设计方案。

    本文选择的滤波器是BESSEL 带通滤波器，具有最窄过渡带；在通带内时延均衡，电路 所用的阶数最少；在实际的应用中电路容易调整；由于所有的节点谐振在相同的频率上，调 谐比较简单；从经济性和制造容易程度来考虑，电容耦合电路最合适，而用Bessel 函数设 计的滤波器正是电容耦合电路，故采用Bessel 函数进行滤波器的设计。再利用美国ADI 公 司推出的AD8302 RF/IF 幅相检测芯片来对滤波后的信号进行幅相检测，以达到满足设计精 度的要求。方案设计框图如图1：

三、BESSEL 带通滤波器的设计

    BESSEL 带通滤波器的设计有着固有的步骤和方法 [2] ，本文的设计选择了在RF 电路中最 常用的工作频率13.56MHz 为例，来说明这种滤波器的可行性和通用性。为了尽可能大的滤 除干扰信号，把带通滤波器的带宽设置在3dB 处为± 1.5MHz；并用PSPICE 进行了仿真 [3] 。 其设计步骤如下：

    1、根据贝塞尔滤波器频率响应特性图可查知 [4] ，该带通滤波器指标用一个 4 阶 Bessel 函数就可以满足本文设计要求。

    从图3 的幅频特性可以看出滤波器带起伏小、阻带衰减大，设计的带通滤波器能满足要求。

四、AD8302 的工作模式及测量原理

    AD8302芯片应用简单，外部只需少量元件便可正常工作，工作电压是2.7V至5.5V。它能 同时测量从低频到2.7GHz频率范围内两输入信号之间的幅度比和相位差。该器件将精密匹配 的两个对数检波器集成在一块芯片上,因而可将误差源及相关温度漂移减小到最低限度。这 一点正是本文设计所需要的。其内部结构见参考文献[1]中的第一页的FUNCTIONAL BLOCK DIAGRAM。

    AD8302 有三个工作模式：测量、控制和电平比较，本设计只需要工作在测量模式下。 其测量工作模式的典型电路连接图如图4：

    AD8302 的测量原理主要是基于对数放大器的对数压缩功能，其数学表达式为：

    AD8302 把两个输入信号的幅度比（增益）和相位差其转化为电压输出，范围为0～1.8V， 分别表示两个输入信号的增益范围为－30B～＋30dB，相位差范围既可以是0°～+180°(以 90°为中心)或是0°～-180°(以－90°为中心)。根据AD8302 的相位差响应特性曲线在0 °～-180°和0°～+180°时的斜率不同,即可判2 个被测信号的相位差为正或者为负。

五、结论

    本设计已成功运用到射频电路阻抗自动匹配系统中，实验数据基本稳定。只需在工作 频率改变时按照滤波器参数的计算公式改变相应参数即可,尤其是AD8302 的带宽比较宽，可 以满足从低频到2.7GHz 的任何频段的两个的信号检测，测量精确可靠。本设计简单实用， 通用性强，性价比高。