RF 至位解決方案可為材料分析應用提供精密的相位和幅度數
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在分析遠程站點的材料時，無法把探針放進材料中，此時，高頻收發(fā)器為準確量化材料的體積分數提供了一種可行的方法，而且不存在直接接觸材料時的不利影響。正交調解器為測量這些應用的幅度和相移提供了一種強大的新方法。這里談到的接收器信號鏈采用ADL5380 寬帶正交解調器、ADA4940-2 超低功耗、低失真、全差分ADC驅動器和AD7903 雙通道、差分、16 位、1 MSPS PulSAR ADC，不但可以提供準確的數據，同時還能確保操作的安全性和經濟性。
在圖1 所示接收器中，一個連續(xù)波信號從發(fā)射(Tx)天線發(fā)出，通過待分析的材料，到達接收(Rx)天線。接收到的信號將相對于原始發(fā)射信號進行衰減和相移處理。該幅度變化和相移可用來確定媒介內容。
圖1. 接收機功能框圖
幅度和相移可以直接關聯(lián)元件的透射率和反射率屬性，如圖2 所示。舉例來說，在油氣水流中，對于介電常數、損耗和分散度而言，水高，油低，氣超低。
圖2. 不同均質媒介的透射率和反射率
接收器子系統(tǒng)的實現(xiàn)
圖3 所示接收器子系統(tǒng)把RF 信號轉換成數字信號，以精確測量幅度和相位。信號鏈由一個正交解調器、一個雙通道差分放大器和一個雙通道差分SAR ADC 構成。這種設計的主要目的是在高頻RF輸入動態(tài)范圍較大的條件下，獲得高精度的相位和幅度測量結果。
圖3. 面向材料分析的接收器簡化子系統(tǒng)
正交解調器
正交解調器提供一個同相(I)信號和一個正好反相90°的正交(Q)信號。I 和Q 信號為矢量，因此，可以用三角恒等式計算接收信號的幅度和相移，如圖4 所示。本振(LO)輸入為原始發(fā)射信號，RF 輸入為接收信號。解調器生成一個和差項。兩個信號的頻率完全相同，ωLO = ωRF，因此，結果會過濾掉高頻和項，差項則駐留于直流。接收信號的相位為?RF，不同于發(fā)射信號的相位?LO。該相移為?LO – ?RF，是媒介介 電常數導致的結果，有助于確定材料內容。
圖4. 利用正交解調器測量幅度和相位
真實I/Q 解調器具有許多缺陷，包括正交相位誤差、增益不平衡、LO-RF 泄漏等，所有這些都會導致解調信號質量下降。要選擇解調器，首先確定RF 輸入頻率范圍、幅度精度和相位精度要求。
ADL5380 采用5 V 單電源供電，可接受400 MHz 至6 GHz 范圍內的RF 或IF 輸入頻率，是接收器信號鏈的理想選擇。根據配置，可提供5.36 dB電壓轉換增益，其差分I 和Q 輸出可以把2.5 V p-p差分信號驅動至500 Ω 負載。在900 MHz 時，其噪聲系數為10.9 dB，IP1dB 為11.6 dBm，三階交調截點(IIP3)為29.7 dBm，動態(tài)范圍出色；而0.07 dB 的幅度平衡和0.2°的相位平衡則可實現(xiàn)杰出的解調精度。采用高級SiGe 雙極性工藝制造，提供微型4 mm × 4 mm、24 引腳LFCSP 封裝。
ADC 驅動器和高分辨率精密ADC
ADA4940-2 全差分雙通道放大器具有卓越的動態(tài)性能和可調輸出共模，是驅動高分辨率雙通道SAR ADC 的理想之選。該器件采用5 V 單電源供電，在2.5 V 共模下可提供±5 V 差分輸出。根據配置可提供2 倍增益(6 dB)，并把ADC 輸入驅動至滿量程。RC濾波器(22 Ω/2.7 nF)有助于限制噪聲，減少來自ADC 輸入端容性DAC的反沖。采用專有SiGe 互補雙極性工藝制造，提供微型4 mm× 4 mm、24 引腳LFCSP 封裝。
AD7903 雙通道16 位1 MSPS 逐次逼近型ADC 具有出色的精度，滿量程增益誤差為±0.006%，失調誤差為±0.015 mV。該器件采用2.5 V 單電源供電，1 MSPS 時功耗僅12 mW。使用高分辨率ADC的主要目標是實現(xiàn)±1°的相位精度，尤其是當輸入信號的直流幅度較小時。ADC 所要求的5 V 基準電壓源由ADR435 低噪聲基準電壓源產生。
如圖5 所示，接收器子系統(tǒng)利用ADL5380-EVALZ、EB-D24CP44-2Z、EVAL-AD7903SDZ 和EVAL-SDP-CB1Z 評估套件實現(xiàn)。這些電路組件針對子系統(tǒng)中的互連優(yōu)化。兩個高頻鎖相輸入源提供RF 和LO 輸入信號。
圖5. 接收器子系統(tǒng)評估平臺
表1 總結了接收器子系統(tǒng)中各個組件的輸入和輸出電壓電平。在 解調器的RF 輸入端，11.6 dBm 的信號產生的輸入在ADC 滿量程 范圍的–1 dB 之內。表中假定，ADL5380 的負載為500 Ω，轉換增 益為5.3573 dB，功率增益為–4.643 dB，ADA4940-2 的增益為6 dB。 該接收器子系統(tǒng)的校準程序和性能結果將在后續(xù)章節(jié)討論。
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