隨著今天的一切無(wú)線化，射頻功率測(cè)量正在迅速成為必需品。本文重點(diǎn)介紹了許多準(zhǔn)確測(cè)量RF信號(hào)電平的有用技術(shù)，以優(yōu)化這些無(wú)線系統(tǒng)的性能。本文討論了不同應(yīng)用要求的最佳方法。

RF信號(hào)可以采用多種形式，從單載波連續(xù)波（CW）到包含高波峰因數(shù)的多載波QAM（正交幅度調(diào)制）波浪形狀。測(cè)量這些變化很大的信號(hào)的功率水平需要了解它們的特性以及所需的測(cè)量精度。如果信號(hào)是突發(fā)的，例如在TDD（時(shí)分雙工）系統(tǒng)中，則由于存在時(shí)域測(cè)量考慮因素而變得更加復(fù)雜。無(wú)論如何，選擇正確的探測(cè)器類型有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)任務(wù)。

使用峰值檢測(cè)測(cè)量RF功率

最簡(jiǎn)單的CW波形測(cè)量。即使幅度可以變化，只要信號(hào)在振幅相對(duì)恒定的規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)，就可以用峰值電平檢測(cè)器進(jìn)行精確測(cè)量，例如凌力爾特公司的LTC5532。該器件內(nèi)置一個(gè)非常快速的肖特基檢波器，具有片內(nèi)溫度補(bǔ)償和2 MHz帶寬輸出緩沖器。內(nèi)部肖特基電路峰值檢測(cè)輸入的RF信號(hào)并執(zhí)行峰值保持濾波，產(chǎn)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(nèi)部肖特基電路能夠檢測(cè)7 GHz RF信號(hào)。該器件的一個(gè)版本，采用6引腳，2 mm x 2 mm塑料DFN封裝的LTC5532EDC，具有低寄生效應(yīng)，可支持12 GHz及更高的工作頻率。

圖1顯示了這個(gè)12 GHz探測(cè)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(cè)器輸出放大器增益由R2和R3電阻在外部設(shè)置為10k，每個(gè)電阻關(guān)閉內(nèi)部放大器周圍的環(huán)路，同相增益為2。在12 GHz頻率下，電路板材料會(huì)引入可能影響輸入阻抗匹配的電路寄生效應(yīng)。但是，使用標(biāo)準(zhǔn)FR-4 PC板材料可以實(shí)現(xiàn)可接受的性能。 RF輸入匹配包括兩個(gè)1.2 pF電容C1和C3。 C3電容還可用于直流阻斷，因?yàn)槠骷腞F輸入在內(nèi)部是直流偏置的。可能需要針對(duì)每個(gè)特定應(yīng)用布局或其他操作頻率重新優(yōu)化RF輸入匹配。在12 GHz時(shí)，RF輸入回波損耗測(cè)量為10 dB。下一頁(yè)的圖2顯示了一幅曲線圖，描繪了當(dāng)12 GHz RF輸入信號(hào)從-24 dBm掃描到8 dBm時(shí)探測(cè)器的傳輸特性，即其有用的探測(cè)范圍。

圖1：12 GHz-RF峰值檢測(cè)器電路。

圖2：12 GHz檢測(cè)器使用高動(dòng)態(tài)范圍檢測(cè)器測(cè)量低電平RF信號(hào)

對(duì)于需要測(cè)量極低電平RF信號(hào)的應(yīng)用，需要具有更高靈敏度的高動(dòng)態(tài)范圍檢測(cè)器。這種功能通常用于測(cè)量RSSI的接收器，以便提供AGC（自動(dòng)增益控制）反饋控制。其他應(yīng)用包括場(chǎng)強(qiáng)計(jì)儀器。對(duì)于這種類型的信號(hào)測(cè)量，對(duì)數(shù)檢測(cè)器類型非常適合，因?yàn)樗鼫y(cè)量信號(hào)的平均功率。除了具有高動(dòng)態(tài)范圍和卓越的靈敏度外，對(duì)數(shù)檢測(cè)器還具有延伸至低頻的出色帶寬特性。它們的輸出提供恒定的輸出斜率，以mV/dB對(duì)數(shù)線性縮放，便于使用。

高動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)檢測(cè)器電路的一個(gè)示例如圖3所示.LT5538是由凌力爾特公司制造的對(duì)數(shù)檢測(cè)器，具有超過60 dB的動(dòng)態(tài)范圍。雖然IC能夠在40 MHz至38 GHz范圍內(nèi)工作，但所示電路的設(shè)計(jì)和適當(dāng)匹配范圍為40 MHz至2.2 GHz，涵蓋了包括所有蜂窩頻段在內(nèi)的寬頻率范圍。探測(cè)器可以識(shí)別小至-68dBm的信號(hào)。其動(dòng)態(tài)范圍接近70 dB，精度為+/- 1 dB。在較低頻率，例如880 MHz，其動(dòng)態(tài)范圍提高到74 dB。

圖3：高動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)檢測(cè)器電路。溫度漂移對(duì)于高精度儀器以及許多高性能無(wú)線系統(tǒng)（如蜂窩基站）來說都是一個(gè)難題。典型的所需精度為?dB或更好，并且在額定溫度極限下保持該公差。 LT5538可在寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所需的精度，從而最大限度地減少了對(duì)溫度進(jìn)行繁瑣校準(zhǔn)的需求。

LT5538可提供29 mA電源電流，以實(shí)現(xiàn)4 GHz最大工作頻率。該設(shè)備具有關(guān)閉功能。在睡眠模式下，器件消耗的靜態(tài)電流小于100μA。可以打開設(shè)備并在300 ns內(nèi)啟動(dòng)測(cè)量。因此，該探測(cè)器有助于突發(fā)模式測(cè)量，節(jié)省便攜式應(yīng)用中的功率。

如何測(cè)量高波峰因數(shù)信號(hào)的實(shí)際功率

現(xiàn)代寬帶無(wú)線數(shù)據(jù)系統(tǒng)使用復(fù)雜的調(diào)制波形。例如，WiMAX和LTE（第4代，長(zhǎng)期演進(jìn)）采用多個(gè)載波，每個(gè)載波都用高階QAM調(diào)制進(jìn)行調(diào)制。這些RF信號(hào)具有高達(dá)12dB的峰均比，并且本質(zhì)上是非周期性的，使得難以進(jìn)行精確測(cè)量。通常嘗試使用查找表進(jìn)行校準(zhǔn)，但只能成功地校正簡(jiǎn)單的調(diào)制波形。然而，隨著調(diào)制越來越復(fù)雜的趨勢(shì)，使用查找表的校正變得不充分。

新型RMS探測(cè)器，凌力爾特公司的LT5581，有助于解決這些不準(zhǔn)確問題。該器件采用片上RMS測(cè)量電路，可對(duì)高波峰因數(shù)信號(hào)進(jìn)行高精度功率測(cè)量。它能夠測(cè)量從10 MHz到高達(dá)6 GHz的信號(hào)。它在較低頻率時(shí)具有40 dB的動(dòng)態(tài)范圍，在高頻時(shí)具有30 dB的動(dòng)態(tài)范圍。此外，該器件在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有出色的精度，從而提供可重復(fù)的測(cè)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(wú)線電，如3G或4G寬帶無(wú)線數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器卡，3G或4G智能電話，WiMAX數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器卡和高性能便攜式無(wú)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(shí)現(xiàn)的一個(gè)示例在圖4中的5.8 GHz WLAN或WiMAX發(fā)送器PA放大器功率控制電路中示出。

圖4：5.8 GHz-RMS檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)。

探測(cè)器的RF輸入通過由604Ω和75Ω分壓器構(gòu)成的20 dB電阻衰減器分接到PA輸出。這種電阻式抽頭無(wú)需定向耦合器，同時(shí)節(jié)省了成本。 1.8 pF隔直電容用于匹配探測(cè)器的阻抗。整個(gè)電阻抽頭電路為PA輸出引入的插入損耗小于0.2 dB，這個(gè)數(shù)量非常適中。為了提高耦合精度，604Ω和75Ω電阻應(yīng)為1％容差元件，1.8 pF應(yīng)為是5％或更好。電阻絲錐的推薦元件值僅供參考。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，值可能略有不同，具體取決于器件布局，PC板寄生效應(yīng)以及PA和天線的參數(shù)。然而，使用定向耦合器具有提供一定方向性的優(yōu)點(diǎn)，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，并且對(duì)測(cè)量精度的影響最小。電阻抽頭電路不是這樣，它可能會(huì)產(chǎn)生少量的測(cè)量誤差。圖5顯示了PA放大器輸出掃過功率范圍時(shí)的探測(cè)器傳遞函數(shù)。在5.8 GHz時(shí)，探測(cè)器提供25 dB的動(dòng)態(tài)范圍性能，通常足以用于功率控制。在較低的頻率，如2.1 GHz或880 MHz，LT5581的動(dòng)態(tài)范圍提高到40 dB。

圖5：5.8 GHz探測(cè)器響應(yīng)。

結(jié)論

根據(jù)要測(cè)量的信號(hào)，可以選擇不同的射頻探測(cè)器來提供最佳選擇滿足測(cè)量需求的解決方案。只要?jiǎng)討B(tài)范圍有限，肖特基峰值檢波器就非常適合恒定幅度功率測(cè)量。對(duì)數(shù)檢測(cè)器具有更高的動(dòng)態(tài)范圍和更高的靈敏度，可測(cè)量低電平信號(hào)對(duì)于高波峰因數(shù)信號(hào)，RMS檢測(cè)器可以產(chǎn)生最準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。