对于微波电路或系统而言, 输出功率通常是该电路或系统的设计和性能的关键因素。功率的测量对于了解微波元件运行情况或系统整体性能都至关重要。功率计是最常用的微波功率测量仪器，功率传感器是其核心部件，主要分为热敏电阻、热电偶和晶体二极管三种^[1]。热敏电阻和热电偶式功率传感器都只能测量平均功率，且动态范围小。二极管功率传感器动态范围大、能测量脉冲功率并反映信号包络情况，但也存在需要校准源、对温度变化敏感、大信号时非线性等不足^[2-3]。随着近年来半导体和集成电路技术的不断发展，改进型或新的功率传感器应运而生，如改进势垒集成二极管(MBID)可以扩展功率测量线性范围^[4]；基于微机电系统(MEMS)技术的射频(RF)功率传感器，在实现宽动态范围测量的同时几乎没有信号损失，即实现了“通过式”传感器^[5]；亚德诺半导体(ADI)及其下属凌力尔特(Linear Technology)公司都曾推出过多款商用的基于集成电路的单芯片射频功率检波产品，如对数放大器等，具有集成度高、宽线性动态范围、极好的温度稳定性等优点，成为射频和微波功率测量及功率计研制的新方向^[6-7]。

北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCII)直线加速器共有20台速调管在线运行，速调管的输出功率是微波系统重要参数，其测量值是判断速调管是否正常工作的重要依据^[8]。BEPCII直线加速器使用基于检波二极管的国产峰值功率计测量速调管输出功率和反射功率，功率计已在线运行十余年，在大信号输入时因偏离平方律线性范围而产生较大测量误差。综合考虑运行稳定性、测量准确性、低反射保护报警响应时间、性价比等因素，我们采用ADI对数检波器方案研制新峰值功率计，实现了A通道功率测量误差仅为±0.2 dB，BEPCII在线测试的反射保护响应时间仅2 μs，并具有宽动态测量范围、内置双通道检波器、用户和工程师双界面、实时波形显示、波形任一点功率测量等特点。

1.   设计理念

在保证功率计测量准确性和低反射保护报警响应时间两个基本点之外，从交互和操作层面，我们提出以实际需求为导向的设计理念。主要有三个方面：(1) 因直线加速器控制机柜空间有限，为节省空间并避免运行人员误碰探头，将A、B两通道的功率探头设计为内置，这与国内外现有的市售功率计形成鲜明对比；(2) 基于运行人员和微波工程师的关注点不同，设置双显示界面，即运行人员界面仅显示功率值，工程师界面显示波形及其他数据；(3) 为第一时间了解被测波形信息，设置波形显示和波形任一点功率测量等功能。

2.   工作原理

峰值功率计核心的检波芯片采用ADI公司ADL5513，它是一款对数检波器，也叫做解调对数放大器，能够精确地将射频输入信号转换为相应的分贝标度输出。ADL5513在级联放大器链路采用渐进压缩技术，链路每一级都配备一个检波器单元。在1 MHz~4 GHz工作频率范围内提供80 dB的宽线性动态范围，-40~+85 ℃温度范围内测量误差小于±0.5 dB，即具有极佳的温度稳定性，并能够对超过50 MHz的脉冲信号进行RF脉冲检测^[9]。

检波芯片将经过衰减的RF输入信号变为模拟信号，12 bit高速模数转换器(ADC)将该模拟信号转换为数字信号，现场可编程门阵列(FPGA)在高速采样的同时能够将数据传输给数据CPU，并且能够同时与预先设置的报警电平进行比较，满足条件时即输出报警信号。数据CPU从FPGA获得采样数据并进行运算处理，从而得到功率值，然后将功率值传输给面板CPU。除此之外，数据CPU还需要将从面板CPU获得的用户设置的报警信号转换为相应电平值并传输给FPGA，用于FPGA将采样数据与报警电平比较，从而获得报警信息。面板CPU用于和数据CPU进行数据交换，并处理按键信息和显示信息，提供良好的人机交换界面。除此之外面板CPU还需要处理通信接口相关数据，为功率计与外界通信提供有力支持。峰值功率计内部结构示意图见图 1。

图  1  峰值功率计内部结构示意图

Figure  1.  Internal structure diagram of peak power meter

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反射保护报警的原理为，将设定的反射保护报警功率阈值转换为电压值传给FPGA，FPGA将这个电压值与ADC的采样值作比较，在一个脉冲时间内超过这个电压值次数达到10次(此数值可修改)，则输出报警信号；若一个脉冲时间内未到10次，则下个脉冲时间重新计数。比如：以当前采样率10 MHz计算，4 μs脉宽的脉冲时间内，共有40次电压采样。

在实际使用前，还需进行多频点下的多点校准以减少测量误差。选择50 MHz、1 GHz、1.5 GHz、2 GHz、2.5 GHz、3 GHz、3.5 GHz作为校准频点，将RF检波芯片输出电压与输入功率的关系定义为传递函数，在其整个动态范围内按每10 dB的步进建立分段传递函数，并将相关信息存储在非易失性存储器中，在实际功率测量时利用传递函数即可计算得出功率测量值。这种方法往往可以极大地减小由于检波器局部非线性引起的误差。得益于ADL5513优异的温度稳定性和BEPCII直线加速器常年保持约25 ℃的环境温度，我们可以在室温下完成上述校准工作。

3.   测试结果

将校准后的峰值功率计样机在实验室做功率准确度测试，在BEPCII直线加速器做在线反射保护响应时间测试、波形测试等，具体测试结果如下。

3.1   功率准确度测试

功率测量是否准确是考量一台功率计的重要指标。利用Keysight E8257D信号源对峰值功率计样机的A、B两个通道分别在2856 MHz、重复频率50 Hz和5 Hz、脉冲宽度4 μs下进行功率准确度测试。测试结果见图 2。并将其A通道测试结果与两台进口功率计Boonton 4500B、Keysight N1912A进行对比，结果见图 3。

图  2  峰值功率计样机两通道功率准确度测试

Figure  2.  The two-channel power accuracy test of prototype

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图  3  三台功率计的功率准确度对比测试

Figure  3.  Accuracy comparison test of hree power meters

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由图 2可知，在-10~19 dBm功率输入范围内，在不同重复频率下，功率计样机两个通道的测量结果基本一致；且A通道比B通道测量精度更高，A通道功率测量误差在±0.2 dB，B通道在大信号输入时最大测量误差达到0.4 dB，但此测量误差可通过重新校准减小。三台功率计的对比测试中，Boonton 4500B测量值偏小，Keysight N1912A测量值偏大，而功率计样机在小信号输入时测量值偏大，在大信号输入时偏小。三台功率计的单个测量点平均误差均小于0.2 dB，样机略占优。

3.2   BEPCII直线加速器在线测试

根据“3+1”反射保护响应时间测试法^[10]，利用程控衰减器制造输入功率瞬时增大3 dB的效果，以模拟加速器运行时反射功率从1 MW突然增大到2 MW以上的情况。采用虚拟示波器进行波形采集和记录。经过多次测试求平均值，在线反射保护响应时间为2.02 μs，与2017年BEPCII功率计升级改进的成绩相比是数量级的提升。反射保护测试截图见图 4。利用3 dB功分器将峰值功率计样机和Boonton 4500B在BEPCII直线加速器的同一功率监测点进行波形对比测试，并将两台功率计的触发电平均设置为-10 dBm。图 5左是样机实时波形，右是Boonton 4500B实时波形，可以直观看出两台功率计在dBm功率单位模式下的波形基本一致。并可以为峰值功率计样机的实时波形添加两条垂直测量线，测量该波形任一点的实时功率值。

图  4  BEPCII在线反射保护响应时间测试

Figure  4.  BEPCII online reflection protection response time test

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图  5  两台功率计在同一功率测试点的对比波形

Figure  5.  Waveform comparison of two power meters using 3 dB power divider at the same test point

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4.   结论

秉承实际需求为导向的设计理念，基于对数检波器的峰值功率计经过多次迭代，已完成样机研制。取得实验室全量程下A通道功率测量误差仅为±0.2 dB，BEPCII在线反射保护响应时间仅为2 μs的成绩。峰值功率计样机于2018年7月加速器停机前上线运行近一个月，软硬件正常，初步验证了其在复杂电磁环境下的稳定性和可靠性。并具有宽线性动态范围、内置双通道检波器、用户和工程师双界面、实时波形显示、波形任一点功率测量等特点。可用于实验室微波功率测试及速调管在线功率测试等，性能上满足BEPCII、高能同步辐射光源(HEPS)等大科学工程实际需要，并可以提高设备国产化率，且成本仅为国外同类产品的几分之一。未来计划对样机的网络通信等方面做进一步优化，并在模块化功率计方面做进一步探索。