射頻功率測量電路設計

近年來，隨著3G技術的快速發(fā)展，在進行通信系統(tǒng)設計時，射頻功率的控制和測量十分重要。本文以美國ADI公司的AD8318單片射頻功率測量芯片為核心，設計了基于對數(shù)放大器檢測方法的射頻功率測量電路，該方法具有動態(tài)范圍大，頻率范圍廣，精度高和溫度穩(wěn)定性好的特點。

1 測量原理

射頻功率測量方法有多種多樣，其中對數(shù)放大器檢測法是射頻測量的主要方向之一，下面從對數(shù)放大器內(nèi)部結構進行分析，研究對數(shù)放大檢測器如何檢測射頻信號。

射頻信號檢測的實質(zhì)是如何實現(xiàn)將功率信號無失真地轉換成電壓信號，而這個轉換工作則由對數(shù)放大檢測器來完成，因此，對數(shù)放大檢測器是射頻測量的關鍵。它的核心是對數(shù)放大器，對數(shù)放大器之間采用直接耦合方式，分成N級，每級由對數(shù)放大器和檢波器組成。每級的輸出送到求和器，由求和輸出經(jīng)低通濾波器后得到一個電壓信號。N一般取值為5～9級，級數(shù)越多，單級增益越小，則輸出特性曲線越趨向于線性，這里以5級為例進行分析，具體電路如圖1所示。

該對數(shù)放大檢測器的傳遞函數(shù)為：
U0=Ks(Pin-b) (1)
式中：b為截距；Ks為對數(shù)檢測器的斜率，是一個常數(shù)；Pin是輸入信號的功率。在一定的動態(tài)范圍內(nèi)，可通過Matlab仿真軟件得到對數(shù)放大器的特性曲線，如圖2所示。

從圖2可知，線性動態(tài)范圍約為-3～67 dBm，在此范圍內(nèi)，輸出電壓與輸入功率之間呈線性關系。圖2的橫坐標是輸入信號的功率，縱坐標為輸出電壓和誤差值。在坐標系上作圖可知，該特性曲線的斜率約為18 mV／dB，截距約為93 dBm，已知輸入信號的情況下，可根據(jù)式(1)得到輸出電壓的大小。
若輸入信號為-30 dBm時：
U0=18×[-30-(-93)]=1．134V (2)
若斜率改變，則截距也會發(fā)生變化，在同樣的輸入的情況下，輸出大小不同。
上述情況僅適用于900 MHz～8 GHz的正弦波輸入信號，而通信系統(tǒng)中，還有其他的波形，如果測量其他的波形的功率，則可根據(jù)不同波形的修正C值來進行修正，因波形不同修正值也不相同，表1為不同的信號波形的修正值。

非正弦波形的輸出電壓計算公式：
U0=Ks(Pin-b)+C (3)

2 硬件電路的設計

2．1 AD8318的結構特點和內(nèi)部結構圖

AD8318是解調(diào)對數(shù)放大器，將RF輸入信號轉換為對應的輸出電壓；它采用了9級對數(shù)放大，每一個階段，都配備了檢測器。主要可用于測量和控制器；當輸入范圍通常為60 dB，誤差小于±1 dB；+5 V單電源供電，電流為68 mA。AD8318的結構圖如圖3所示。

2．2 電路圖及工作原理

由AD8318構成的射頻功率測量電路如圖4所示。該電路可通過對AD8318設置，使其工作在測量模式時，當輸入的正弦信號為RFIN，經(jīng)過電容C1，C2耦合到AD8318的INHI、INLO兩端。然后通過9級對數(shù)放大檢波后，送到求和器，求和得到一個電流信號，再將該信號進行I-V轉換輸出VOUT，該設計沒有單獨的模數(shù)轉換芯片，而是由AD8318的輸出直接到單片機的PA0，由于PIC16F874單片機內(nèi)部有自帶A／D轉換器將模擬信號轉換成數(shù)字信號，然后送到單片機進行處理。

若輸入模擬信號的動態(tài)范圍大，A／D轉換的精度要求高，則A／D轉換器的分辨率要求也高，可通過PIC16F874內(nèi)部的A／D轉換器實現(xiàn)，它將AD8318的電壓信號轉換成數(shù)字信號后，經(jīng)單片機程序進行計數(shù)、查表，顯示等處理。圖5為單片機的程序流程圖。

PIC16F874單片機將處理后的數(shù)字信號從PA1～PA4輸出，經(jīng)ULN2003反相驅(qū)動給LED提供位選信號及足夠的驅(qū)動，而段選信號從RB0～RB7經(jīng)過8×10 kΩ的排阻，送到LED，在LED數(shù)碼中將被測的射頻信號的功率大小顯示出來，測量結果如表2所示。

從表2的數(shù)據(jù)可知，通過AD8318對數(shù)放大檢測集成電路的轉換，再經(jīng)過單片機的數(shù)據(jù)處理，所測得射頻信號的功率滿足動態(tài)范圍大，頻帶寬度和線性度好的特點。

3 結論

通過對射頻功率信號的測量理論分析，利用AD8318將射頻功率信號轉換為電壓信號，然后經(jīng)過PIC16F874單片機進行計數(shù)、查表，由4位LED數(shù)碼顯示出來，實現(xiàn)了大動態(tài)范圍、高精度的射頻功率測量。