適合便攜式系統(tǒng)的 RF 功率測量方法

　　設(shè)計低功率電路同時實現(xiàn)可接受的性能是一個困難的任務(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)|西都有無線連接能力，因此 RF 功率測量正在迅速變成必要功能。這篇文章著重介紹多種準確測量 RF 信號電平的有用方法，以優(yōu)化這些無線系統(tǒng)的性能。本文討論滿足各種不同應(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 信號可以采取多種形式。測量這些參差不齊的信號功率需要了解它們的特性以及所需的測量準確度。如果信號是突發(fā)性的，諸如 TDD (時分雙工) 系統(tǒng)中的信號，測量就變得更加復(fù)雜，因為存在時域測量考慮因素。無論如何，選擇合適的檢波器類型能有助于簡化設(shè)計任務(wù)。

　　用峰值檢測測量 RF 功率

　　以最簡單的 CW 波型測量情況為例。即使幅度可能變化，只要信號在幅度相對固定的規(guī)定時間間隔之內(nèi)，那么就所有實際目的而言，都可以用一個諸如凌力爾特公司 LTC5532 那樣的峰值檢波器進行準確測量。這個器件用非常快的肖特基檢波器制造，具有片上溫度補償和 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輸入 RF 信號，并執(zhí)行峰值保持濾波，從而產(chǎn)生一個與 RF 輸入峰值成正比的 DC 輸出電壓。

　　LTC5532 是一個功率非常低的器件，在工作模式以 500uA 電源電流運行。但是其內(nèi)部肖特基電路能檢測 7GHz RF 信號。該器件的版本之一 LTC5532EDC 采用 6 引線、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 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定向耦合器的耦合輸出或一個 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，從而對內(nèi)部放大器 (具有一個數(shù)值為2的同相增益) 周圍的環(huán)路進行補償。在 12GHz 頻率時，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，可以用標準 FR-4 PC 電路板材料實現(xiàn)可接受的性能。RF 輸入匹配由兩個 1.2pF 電容器、C1 和 C3 組成。C3 電容器還起 DC 隔離作用，因為該器件的 RF 輸入是內(nèi)部 DC 偏置的。RF 輸入匹配也許需要為每一個具體的應(yīng)用布局或其它工作頻率而重新優(yōu)化。在12GHz頻率下，測得的RF輸入回程損耗為10dB。圖2中的曲線圖描繪的是：當一個12GHz RF輸入信號掠過-24dBm至8dBm (有效檢波范圍) 時檢波器的傳輸特性。

圖1：一個 12GHz RF 峰值檢波器電路。

圖2：12GHz 檢波器特性。

　　用一個大動態(tài)范圍檢波器測量低電平 RF 信號

　　就需要測量電平非常低的 RF 信號的應(yīng)用而言，一個具有更高靈敏度的大動態(tài)范圍檢波器是必要的。這類功能常常用于為提供 AGC (自動增益控制) 反饋控制而測量 RSSI 的接收器中。其它應(yīng)用包括場強計儀表。就這類信號測量而言，對數(shù)檢波器非常適合，因為它測量信號的平均功率。除了有大動態(tài)范圍和極高的靈敏度，對數(shù)檢波器還有擴展到低頻的卓越帶寬特性。它們的輸出以 mV/dB 對數(shù)線性比例提供固定輸出斜率，從而方便了使用。

　　大動態(tài)范圍對數(shù)檢波器電路的一個例子 (如圖 3 所示)。LT5538 是一個凌力爾特公司制造的對數(shù)檢波器，具有超過 60dB 的動態(tài)范圍。盡管這個 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)計和恰當匹配是從 40MHz 至 2.2GHz，從而覆蓋了包括所有蜂窩頻帶的寬頻率范圍。這個檢波器可以分辨出一個小至 -68dBm 的信號。其動態(tài)范圍涵蓋近 70dB，具 ±1dB 的準確度。在更低頻率時 (例如在 880MHz)，其動態(tài)范圍改善到 74dB。

圖3：一個大動態(tài)范圍對數(shù)檢波器電路。

　　溫度漂移對高準確度儀表以及諸如蜂窩基站等很多高性能無線系統(tǒng)而言是個難題。所希望的典型準確度是 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 在寬動態(tài)范圍內(nèi)實現(xiàn)了這一希望的準確度，因此最大限度地減少了對隨溫度變化進行單調(diào)乏味的校準操作需求。

　　LT5538 吸取 29mA 電源電流，這是實現(xiàn) 4GHz 最高工作頻率所必需的。該器件具有停機功能。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)接通和啟動測量。因此這個檢波器方便了突發(fā)模式測量，從而節(jié)省了便攜式應(yīng)用的功率。

　　如何測量高波峰因數(shù)信號的實際功率

　　現(xiàn)代寬帶無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)采用復(fù)雜調(diào)制波形。例如，WiMAX 和 LTE (第四代，長期演進) 采用多重載波，每個載波都是高階 QAM 調(diào)制的。這些 RF 信號具有高達 12dB 的峰值至平均值之比，本質(zhì)上是非周期性的，從而使準確測量很困難。人們經(jīng)常嘗試用查閱表校準，就簡單的調(diào)制波形而言只有有限的校準成功率。不過，隨著越來越復(fù)雜的調(diào)制趨勢，用查閱表校準變得不夠充分了。

　　凌力爾特公司一種新的 RMS 檢波器LT5581幫助解決了這些不準確性問題。該器件采用一個片上 RMS 測量電路，該電路可進行高度準確的高波峰因數(shù)信號功率測量。它能測量從 10MHz 到高達 6GHz 的信號。它在較低頻率時有 40dB 動態(tài)范圍，在高頻時為 30dB。此外，該器件在整個溫度范圍內(nèi)提供卓越的準確度，因此提供可重復(fù)測量。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，因此無需 RF 平衡-不平衡變壓器。其寬帶寬可實現(xiàn)多頻帶無線電設(shè)備，諸如 3G 或 4G 寬帶無線數(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線電設(shè)備。

　　單端 RF 輸入非常適合于直接從一個 RF 信號源 (例如：RF PA 放大器) 進行分接。此類實現(xiàn)的一個例子如圖 4 所示，是一個 5.8GHz WLAN 或 WiMAX 發(fā)射器 PA 放大器功率控制電路。檢波器的 RF 輸入通過一個 20dB 阻性衰減器 (由 604Ω 和 75Ω 分壓器組成) 接進 PA 輸出。這個電阻分接頭消除了對定向耦合器的需求，同時節(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適中的。

圖4：一款 5.8GHz RMS 檢波器實現(xiàn)方案。

　　就改善耦合準確度而言，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。在實際實現(xiàn)時，這些值也許稍有不同，視器件放置、PC 板寄生性以及 PA 和天線的參數(shù)而定。不過，用一個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有這個好處。也就是說，如果 PA 有過大的返射功率，那么耦合器多半會隔離這種功率并將對測量準確度有最小的影響。就阻性抽頭電路而言卻不是這樣，該電路可能引入小的測量誤差。

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

圖5：5.8GHz 檢波器響應(yīng)。

　　結(jié)論

　　視被測量信號而定，可有不同的 RF 檢波器選擇，以提供滿足測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量，只要動態(tài)范圍是有限的。對數(shù)檢波器有較大的動態(tài)范圍和卓越的靈敏度，以測量低電平信號。就高波峰因數(shù)信號而言，RMS 檢波器產(chǎn)生最準確的測量結(jié)果。