適合便攜式系統(tǒng)的 RF 功率測(cè)量方法

　　設(shè)計(jì)低功率電路同時(shí)實(shí)現(xiàn)可接受的性能是一個(gè)困難的任務(wù)。在 RF 頻段這么做更是迅猛地提高了挑戰(zhàn)性。今天，幾乎每一樣?xùn)|西都有無(wú)線(xiàn)連接能力，因此 RF 功率測(cè)量正在迅速變成必要功能。這篇文章著重介紹多種準(zhǔn)確測(cè)量 RF 信號(hào)電平的有用方法，以?xún)?yōu)化這些無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的性能。本文討論滿(mǎn)足各種不同應(yīng)用需求的優(yōu)化方法。

　　從單載波連續(xù)波 (CW)、多載波連續(xù)波到含有高波峰因數(shù)波型的 QAM (正交調(diào)幅)，RF 信號(hào)可以采取多種形式。測(cè)量這些參差不齊的信號(hào)功率需要了解它們的特性以及所需的測(cè)量準(zhǔn)確度。如果信號(hào)是突發(fā)性的，諸如 TDD (時(shí)分雙工) 系統(tǒng)中的信號(hào)，測(cè)量就變得更加復(fù)雜，因?yàn)榇嬖跁r(shí)域測(cè)量考慮因素。無(wú)論如何，選擇合適的檢波器類(lèi)型能有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)任務(wù)。

　　用峰值檢測(cè)測(cè)量 RF 功率

　　以最簡(jiǎn)單的 CW 波型測(cè)量情況為例。即使幅度可能變化，只要信號(hào)在幅度相對(duì)固定的規(guī)定時(shí)間間隔之內(nèi)，那么就所有實(shí)際目的而言，都可以用一個(gè)諸如凌力爾特公司 LTC5532 那樣的峰值檢波器進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。這個(gè)器件用非常快的肖特基檢波器制造，具有片上溫度補(bǔ)償和 2MHz 帶寬輸出緩沖器。內(nèi)部肖特基電路以峰值檢波方式檢測(cè)輸入 RF 信號(hào)，并執(zhí)行峰值保持濾波，從而產(chǎn)生一個(gè)與 RF 輸入峰值成正比的 DC 輸出電壓。

　　LTC5532 是一個(gè)功率非常低的器件，在工作模式以 500uA 電源電流運(yùn)行。但是其內(nèi)部肖特基電路能檢測(cè) 7GHz RF 信號(hào)。該器件的版本之一 LTC5532EDC 采用 6 引線(xiàn)、2mm x 2mm 塑料 DFN 封裝，具有低寄生性，并能支持直到 12GHz 和更高頻率的工作。

　　圖 1 顯示這個(gè) 12GHz 檢波器的 RF 輸入，該輸入匹配到 11.5GHz 至 12GHz。因此它的輸入電路可以連接到一個(gè)定向耦合器的耦合輸出或一個(gè) RF 源。利用電阻器R2和R3 (阻值各為 10k) 在外部設(shè)定檢波器輸出放大器增益，從而對(duì)內(nèi)部放大器 (具有一個(gè)數(shù)值為2的同相增益) 周?chē)沫h(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償。在 12GHz 頻率時(shí)，電路板材料可能引入可影響輸入阻抗匹配的電路寄生性。不過(guò)，可以用標(biāo)準(zhǔn) FR-4 PC 電路板材料實(shí)現(xiàn)可接受的性能。RF 輸入匹配由兩個(gè) 1.2pF 電容器、C1 和 C3 組成。C3 電容器還起 DC 隔離作用，因?yàn)樵撈骷?RF 輸入是內(nèi)部 DC 偏置的。RF 輸入匹配也許需要為每一個(gè)具體的應(yīng)用布局或其它工作頻率而重新優(yōu)化。在12GHz頻率下，測(cè)得的RF輸入回程損耗為10dB。圖2中的曲線(xiàn)圖描繪的是：當(dāng)一個(gè)12GHz RF輸入信號(hào)掠過(guò)-24dBm至8dBm (有效檢波范圍) 時(shí)檢波器的傳輸特性。

圖1：一個(gè) 12GHz RF 峰值檢波器電路。

圖2：12GHz 檢波器特性。

　　用一個(gè)大動(dòng)態(tài)范圍檢波器測(cè)量低電平 RF 信號(hào)

　　就需要測(cè)量電平非常低的 RF 信號(hào)的應(yīng)用而言，一個(gè)具有更高靈敏度的大動(dòng)態(tài)范圍檢波器是必要的。這類(lèi)功能常常用于為提供 AGC (自動(dòng)增益控制) 反饋控制而測(cè)量 RSSI 的接收器中。其它應(yīng)用包括場(chǎng)強(qiáng)計(jì)儀表。就這類(lèi)信號(hào)測(cè)量而言，對(duì)數(shù)檢波器非常適合，因?yàn)樗鼫y(cè)量信號(hào)的平均功率。除了有大動(dòng)態(tài)范圍和極高的靈敏度，對(duì)數(shù)檢波器還有擴(kuò)展到低頻的卓越帶寬特性。它們的輸出以 mV/dB 對(duì)數(shù)線(xiàn)性比例提供固定輸出斜率，從而方便了使用。

　　大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)檢波器電路的一個(gè)例子 (如圖 3 所示)。LT5538 是一個(gè)凌力爾特公司制造的對(duì)數(shù)檢波器，具有超過(guò) 60dB 的動(dòng)態(tài)范圍。盡管這個(gè) IC 能夠在 40MHz 至 38GHz 的頻率范圍內(nèi)工作，但是圖示電路的設(shè)計(jì)和恰當(dāng)匹配是從 40MHz 至 2.2GHz，從而覆蓋了包括所有蜂窩頻帶的寬頻率范圍。這個(gè)檢波器可以分辨出一個(gè)小至 -68dBm 的信號(hào)。其動(dòng)態(tài)范圍涵蓋近 70dB，具 ±1dB 的準(zhǔn)確度。在更低頻率時(shí) (例如在 880MHz)，其動(dòng)態(tài)范圍改善到 74dB。

圖3：一個(gè)大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)檢波器電路。

　　溫度漂移對(duì)高準(zhǔn)確度儀表以及諸如蜂窩基站等很多高性能無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)而言是個(gè)難題。所希望的典型準(zhǔn)確度是 1/2dB 或更高的精度，而且在額定溫度極限范圍內(nèi)保持這一容限。LT5538 在寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了這一希望的準(zhǔn)確度，因此最大限度地減少了對(duì)隨溫度變化進(jìn)行單調(diào)乏味的校準(zhǔn)操作需求。

　　LT5538 吸取 29mA 電源電流，這是實(shí)現(xiàn) 4GHz 最高工作頻率所必需的。該器件具有停機(jī)功能。在休眠模式，該器件消耗的靜態(tài)電流低于 100uA。該器件可以在 300ns 內(nèi)接通和啟動(dòng)測(cè)量。因此這個(gè)檢波器方便了突發(fā)模式測(cè)量，從而節(jié)省了便攜式應(yīng)用的功率。

　　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(xiàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)采用復(fù)雜調(diào)制波形。例如，WiMAX 和 LTE (第四代，長(zhǎng)期演進(jìn)) 采用多重載波，每個(gè)載波都是高階 QAM 調(diào)制的。這些 RF 信號(hào)具有高達(dá) 12dB 的峰值至平均值之比，本質(zhì)上是非周期性的，從而使準(zhǔn)確測(cè)量很困難。人們經(jīng)常嘗試用查閱表校準(zhǔn)，就簡(jiǎn)單的調(diào)制波形而言只有有限的校準(zhǔn)成功率。不過(guò)，隨著越來(lái)越復(fù)雜的調(diào)制趨勢(shì)，用查閱表校準(zhǔn)變得不夠充分了。

　　凌力爾特公司一種新的 RMS 檢波器LT5581幫助解決了這些不準(zhǔn)確性問(wèn)題。該器件采用一個(gè)片上 RMS 測(cè)量電路，該電路可進(jìn)行高度準(zhǔn)確的高波峰因數(shù)信號(hào)功率測(cè)量。它能測(cè)量從 10MHz 到高達(dá) 6GHz 的信號(hào)。它在較低頻率時(shí)有 40dB 動(dòng)態(tài)范圍，在高頻時(shí)為 30dB。此外，該器件在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供卓越的準(zhǔn)確度，因此提供可重復(fù)測(cè)量。以其所有功能，該器件僅消耗 1.4mA 電源電流。RF 輸入是單端的，因此無(wú)需 RF 平衡-不平衡變壓器。其寬帶寬可實(shí)現(xiàn)多頻帶無(wú)線(xiàn)電設(shè)備，諸如 3G 或 4G 寬帶無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器卡、3G 或 4G 智能電話(huà)、WiMAX 數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器卡和高性能便攜式無(wú)線(xiàn)電設(shè)備。

　　單端 RF 輸入非常適合于直接從一個(gè) RF 信號(hào)源 (例如：RF PA 放大器) 進(jìn)行分接。此類(lèi)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)例子如圖 4 所示，是一個(gè) 5.8GHz WLAN 或 WiMAX 發(fā)射器 PA 放大器功率控制電路。檢波器的 RF 輸入通過(guò)一個(gè) 20dB 阻性衰減器 (由 604Ω 和 75Ω 分壓器組成) 接進(jìn) PA 輸出。這個(gè)電阻分接頭消除了對(duì)定向耦合器的需求，同時(shí)節(jié)省了成本。1.8pF DC 隔離電容器起匹配檢波器阻抗的作用。整個(gè)阻性抽頭電路給 PA 輸出造成了 0.2dB 的插入損耗，這種損耗水平是相當(dāng)適中的。

圖4：一款 5.8GHz RMS 檢波器實(shí)現(xiàn)方案。

　　就改善耦合準(zhǔn)確度而言，604Ω 和 75Ω 電阻應(yīng)該是 1% 容限的組件，1.8pF 應(yīng)該是 5% 或更好。為阻性抽頭推薦的組件值僅作參考。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，這些值也許稍有不同，視器件放置、PC 板寄生性以及 PA 和天線(xiàn)的參數(shù)而定。不過(guò)，用一個(gè)定向耦合器有提供某些方向性的好處，而阻性抽頭電路卻沒(méi)有這個(gè)好處。也就是說(shuō)，如果 PA 有過(guò)大的返射功率，那么耦合器多半會(huì)隔離這種功率并將對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度有最小的影響。就阻性抽頭電路而言卻不是這樣，該電路可能引入小的測(cè)量誤差。

　　圖 5 顯示 PA 放大器輸出掃過(guò)整個(gè)功率范圍時(shí)檢波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)。在 5.8GHz 時(shí)，檢波器提供 25dB 動(dòng)態(tài)范圍性能，一般對(duì)功率控制目的而言已足夠了。在更低頻率時(shí) (如 2.1GHz 或 880MHz)，LT5581 的動(dòng)態(tài)范圍改善到 40dB。

圖5：5.8GHz 檢波器響應(yīng)。

　　結(jié)論

　　視被測(cè)量信號(hào)而定，可有不同的 RF 檢波器選擇，以提供滿(mǎn)足測(cè)量需求的最佳解決方案。肖特基峰值檢波器非常適合于固定幅度功率測(cè)量，只要?jiǎng)討B(tài)范圍是有限的。對(duì)數(shù)檢波器有較大的動(dòng)態(tài)范圍和卓越的靈敏度，以測(cè)量低電平信號(hào)。就高波峰因數(shù)信號(hào)而言，RMS 檢波器產(chǎn)生最準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。