電子設計 發表於 2019-03-04 09:28:00
隨著今天的一切無線化，射頻功率測量正在迅速成為必需品。本文重點介紹了許多準確測量RF信號電平的有用技術，以優化這些無線系統的性能。本文討論了不同應用要求的最佳方法。
RF信號可以採用多種形式，從單載波連續波（CW）到包含高波峰因數的多載波QAM（正交幅度調製）波浪形狀。測量這些變化很大的信號的功率水平需要了解它們的特性以及所需的測量精度。如果信號是突發的，例如在TDD（時分雙工）系統中，則由於存在時域測量考慮因素而變得更加複雜。無論如何，選擇正確的探測器類型有助於簡化設計任務。
使用峰值檢測測量RF功率
最簡單的CW波形測量。即使幅度可以變化，只要信號在振幅相對恆定的規定時間間隔內，就可以用峰值電平檢測器進行精確測量，例如凌力爾特公司的LTC5532。該器件內置一個非常快速的肖特基檢波器，具有片內溫度補償和2 MHz帶寬輸出緩衝器。內部肖特基電路峰值檢測輸入的RF信號並執行峰值保持濾波，產生與RF輸入峰值電平成比例的DC輸出電壓。
LTC5532是一款功耗極低的器件，在工作模式下工作電流為500μA。然而，其內部肖特基電路能夠檢測7 GHz RF信號。該器件的一個版本，採用6引腳，2 mm x 2 mm塑料DFN封裝的LTC5532EDC，具有低寄生效應，可支持12 GHz及更高的工作頻率。
圖1顯示了這個12 GHz探測器的RF輸入與11.5 GHz - 12 GHz相匹配。因此，其輸入電路可以連接到定向耦合器或RF源的耦合輸出。探測器輸出放大器增益由R2和R3電阻在外部設置為10k，每個電阻關閉內部放大器周圍的環路，同相增益為2。在12 GHz頻率下，電路板材料會引入可能影響輸入阻抗匹配的電路寄生效應。但是，使用標準FR-4 PC板材料可以實現可接受的性能。 RF輸入匹配包括兩個1.2 pF電容C1和C3。 C3電容還可用於直流阻斷，因為器件的RF輸入在內部是直流偏置的。可能需要針對每個特定應用布局或其他操作頻率重新優化RF輸入匹配。在12 GHz時，RF輸入回波損耗測量為10 dB。下一頁的圖2顯示了一幅曲線圖，描繪了當12 GHz RF輸入信號從-24 dBm掃描到8 dBm時探測器的傳輸特性，即其有用的探測範圍。
圖1：12 GHz-RF峰值檢測器電路。
圖2：12 GHz檢測器使用高動態範圍檢測器測量低電平RF信號
對於需要測量極低電平RF信號的應用，需要具有更高靈敏度的高動態範圍檢測器。這種功能通常用於測量RSSI的接收器，以便提供AGC（自動增益控制）反饋控制。其他應用包括場強計儀器。對於這種類型的信號測量，對數檢測器類型非常適合，因為它測量信號的平均功率。除了具有高動態範圍和卓越的靈敏度外，對數檢測器還具有延伸至低頻的出色帶寬特性。它們的輸出提供恆定的輸出斜率，以mV/dB對數線性縮放，便於使用。
高動態範圍對數檢測器電路的一個示例如圖3所示.LT5538是由凌力爾特公司製造的對數檢測器，具有超過60 dB的動態範圍。雖然IC能夠在40 MHz至38 GHz範圍內工作，但所示電路的設計和適當匹配範圍為40 MHz至2.2 GHz，涵蓋了包括所有蜂窩頻段在內的寬頻率範圍。探測器可以識別小至-68dBm的信號。其動態範圍接近70 dB，精度為+/- 1 dB。在較低頻率，例如880 MHz，其動態範圍提高到74 dB。
圖3：高動態範圍對數檢測器電路。溫度漂移對於高精度儀器以及許多高性能無線系統（如蜂窩基站）來說都是一個難題。典型的所需精度為½dB或更好，並且在額定溫度極限下保持該公差。 LT5538可在寬動態範圍內實現所需的精度，從而最大限度地減少了對溫度進行繁瑣校準的需求。
LT5538可提供29 mA電源電流，以實現4 GHz最大工作頻率。該設備具有關閉功能。在睡眠模式下，器件消耗的靜態電流小於100μA。可以打開設備並在300 ns內啟動測量。因此，該探測器有助於突發模式測量，節省可攜式應用中的功率。
如何測量高波峰因數信號的實際功率
現代寬帶無線數據系統使用複雜的調製波形。例如，WiMAX和LTE（第4代，長期演進）採用多個載波，每個載波都用高階QAM調製進行調製。這些RF信號具有高達12dB的峰均比，並且本質上是非周期性的，使得難以進行精確測量。通常嘗試使用查找表進行校準，但只能成功地校正簡單的調製波形。然而，隨著調製越來越複雜的趨勢，使用查找表的校正變得不充分。
新型RMS探測器，凌力爾特公司的LT5581，有助於解決這些不準確問題。該器件採用片上RMS測量電路，可對高波峰因數信號進行高精度功率測量。它能夠測量從10 MHz到高達6 GHz的信號。它在較低頻率時具有40 dB的動態範圍，在高頻時具有30 dB的動態範圍。此外，該器件在整個溫度範圍內具有出色的精度，從而提供可重複的測量該器件具有全部功能，僅消耗1.4 mA電源電流。 RF輸入是單端的，因此不需要RF巴倫變壓器。其寬帶寬支持多頻段無線電，如3G或4G寬帶無線數據數據機卡，3G或4G智慧型電話，WiMAX數據數據機卡和高性能可攜式無線電。
單端RF輸入非常適合直接從RF源（例如RF PA放大器）上分接。這種實現的一個示例在圖4中的5.8 GHz WLAN或WiMAX發送器PA放大器功率控制電路中示出。
圖4：5.8 GHz-RMS檢測器實現。
探測器的RF輸入通過由604Ω和75Ω分壓器構成的20 dB電阻衰減器分接到PA輸出。這種電阻式抽頭無需定向耦合器，同時節省了成本。 1.8 pF隔直電容用於匹配探測器的阻抗。整個電阻抽頭電路為PA輸出引入的插入損耗小於0.2 dB，這個數量非常適中。為了提高耦合精度，604Ω和75Ω電阻應為1％容差元件，1.8 pF應為是5％或更好。電阻絲錐的推薦元件值僅供參考。在實際實現中，值可能略有不同，具體取決於器件布局，PC板寄生效應以及PA和天線的參數。然而，使用定向耦合器具有提供一定方向性的優點，而電阻分接電路則沒有。
即，如果PA具有過大的反射功率，耦合器將在很大程度上阻止它，並且對測量精度的影響最小。電阻抽頭電路不是這樣，它可能會產生少量的測量誤差。圖5顯示了PA放大器輸出掃過功率範圍時的探測器傳遞函數。在5.8 GHz時，探測器提供25 dB的動態範圍性能，通常足以用於功率控制。在較低的頻率，如2.1 GHz或880 MHz，LT5581的動態範圍提高到40 dB。
圖5：5.8 GHz探測器響應。
結論
根據要測量的信號，可以選擇不同的射頻探測器來提供最佳選擇滿足測量需求的解決方案。只要動態範圍有限，肖特基峰值檢波器就非常適合恆定幅度功率測量。對數檢測器具有更高的動態範圍和更高的靈敏度，可測量低電平信號對於高波峰因數信號，RMS檢測器可以產生最準確的測量結果。
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