射頻信號功率檢測技術(shù)

1、射頻信號功率檢測技術(shù)研發(fā)中心預(yù)研部射頻室2005年07月編寫：朱俊杰目錄v功率檢測的意義v功率的定義v常用的幾種單位之間的關(guān)系v功率檢測常用的幾種方法v頻譜儀如何實現(xiàn)功率的測量v常用的功率檢測方法適用范圍比較v幾種實際使用電路實測結(jié)果v總結(jié)一、功率檢測的意義v在測量方面的意義：在測量方面的意義：準確的功率檢測可以讓用戶了解設(shè)備的當(dāng)前工作狀態(tài)。v在控制方面的意義：在控制方面的意義：功率檢測在功率控制中，特別是保護放大器和其它附屬設(shè)備不長時間超負荷工作的作用十分重大。二、功率的定義v以瓦（W）為單位的功率定義為: 其中，V和I均為有效值，而R為阻抗，射頻電路的阻抗通常為50。對于射頻電路來說，由于

2、源阻抗和負載的阻抗均是固定的，所以實際上對于功率的測量還是依賴于有效值電壓的測量（即RMS電壓的測量） 。2V三、幾種常用的單位之間的關(guān)系 峰值因子的定義：信號的峰值與有效值之間的比值。v功率和電壓之間的換算關(guān)系圖四、功率檢測常用的幾種方法v二極管分立元件檢波方式v采用對數(shù)放大器的檢波方式v采用RMS-DC變換器的檢波方式4.1采用二極管分立元件的檢波方式v二極管分立元件檢波電路原理圖上圖所示：輸入端的對地電阻起到輸入阻抗匹配的作用，二極管輸出端的電容為充放電電容，R1為有效負載。二極管檢波電路的充放電原理較為簡單，在此不再贅述。二極管分立元件電路輸出電壓對輸入信號的響應(yīng)和溫度穩(wěn)定性由上圖可以

3、看出：二極管分立元件電路溫度穩(wěn)定性能很差。4.2采用對數(shù)放大器的檢波方式v對數(shù)放大器的構(gòu)成原理框圖如上圖所示：采用級聯(lián)的放大器，并且在每級放大器的輸出均采用全波整流電路，各級輸出的全波整流電路的輸出經(jīng)加法器相加后再經(jīng)低通濾波器濾波后輸出較為平滑的直流電壓。采用對數(shù)放大器的檢波電路輸出電壓對輸入信號的響應(yīng)和溫度穩(wěn)定性由上圖可以看出：與二極管分立元件檢波電路相比，對數(shù)檢波電路具有較寬的動態(tài)范圍和良好的溫度穩(wěn)定性能。4.3采用RMS-DC變換器的檢波方式v上圖為ADI公司的AD8361芯片的內(nèi)部電路原理框圖，輸入的信號經(jīng)平方律檢波后再經(jīng)過以平方律電路作為反饋的放大器放大，在經(jīng)過緩沖放大后輸出與輸入信

4、號有效值對應(yīng)的電壓Vrms。舉例：ADI公司的有效值檢波器AD8362對不同信號的響應(yīng)由上圖可以看出：RMS-DC變換檢波電路對于不同的輸入信號均具有良好的輸出線性和穩(wěn)定性以及較寬的線形動態(tài)范圍。五、頻譜儀如何實現(xiàn)功率測量v頻譜儀的信號功率檢測實現(xiàn)如上圖所示：輸入信號經(jīng)可變衰減器（頻譜儀的ATT）衰減后進行下變頻處理，變頻后的信號經(jīng)過可變帶寬帶通濾波器進行濾波（頻譜儀的RBW）后送入包絡(luò)檢波器進行信號的包絡(luò)檢測，經(jīng)對數(shù)放大器放大后（有些指標不用經(jīng)過對數(shù)放大器）送入低通濾波器進行視頻濾波（頻譜儀的VBW），再接下來就由微處理器控制信號的采樣方式（頻譜儀的檢波方式的選擇）并進行A/D轉(zhuǎn)換后送至顯示

5、器顯示。LO對數(shù)放大器檢 波 方式A/D顯 示ATT變頻RBW包絡(luò)檢波VBW采樣和數(shù)據(jù)處理六、常用的功率檢測方法適用范圍比較v二極管分立元件檢波電路：如公司目前仍在使用的Agilent公司的HSMS-2850，采用獨立二極管的檢波電路由于沒有采用溫度補償和校準等措施，此類器件的優(yōu)勢為價格低廉，但性能表現(xiàn)不佳，具體表現(xiàn)為動態(tài)范圍小，線性度差；同時，由于二極管檢波電路的輸出是對輸入信號電壓幅度的響應(yīng)，所以對于復(fù)雜信號（例如峰值因子不固定的CDMA和WCDMA的信號）的準確功率測量變得十分困難。v對數(shù)放大器檢波電路：如ADI公司的AD831*系列，對數(shù)放大器與二極管檢波器相比的優(yōu)勢為具有良好的線形、

6、較寬的動態(tài)范圍和良好的溫度穩(wěn)定性能。但由于對數(shù)檢波放大器也是對輸入信號電壓的響應(yīng)，所以其輸出電壓也不是與輸入信號的功率對應(yīng)，這一點在實際使用中可以發(fā)現(xiàn)：對于GSM信號，單載波時通過校準是比較準的，但對于GSM多載波信號就不準。而對于CDMA和WCDMA這些峰值因子不斷變化的信號功率的準確測量更難以實現(xiàn)，但比較適合GSM單載波信號的功率測量（適用于GSM載波選頻直放站的每個載波通道的功率測量）。ADI公司該系列的AD8312具有較高的性價比（網(wǎng)上公開價格為$1.07)。六、常用的功率檢測方法適用范圍比較（續(xù)）vRMS-DC變換檢波電路：此類產(chǎn)品的輸出電壓是對應(yīng)輸入信號的有效值，所以又被稱為“TR

7、UE POWER”檢波器。ADI公司的AD836*系列即為此類產(chǎn)品。該類產(chǎn)品可以準確測量任意類型信號“真實”功率，但該類器件與二極管檢波器和對數(shù)檢波器相比的不足為價格較為昂貴（AD8362的網(wǎng)上公開價格為$6.25),RMS-DC變換檢波電路非常適用于峰值因子不斷變化的信號(如CDMA和WCDMA信號的功率檢測)。六、常用的功率檢測方法適用范圍比較（續(xù)）七、幾種實際使用電路實測結(jié)果7.1采用HSMS-2850二極管檢波器電路(以GSM900MHz信號為例) 上圖為根據(jù)實際測試的數(shù)據(jù)所繪制出的曲線,對于GSM900MHz上、下行信號的輸出電壓一致性較好，這表明上行和下行的監(jiān)控數(shù)據(jù)表可以采用同一個

8、數(shù)據(jù)表。 采用二極管檢波器檢測電路高低溫下輸出電壓的穩(wěn)定性 試驗數(shù)據(jù)表明：在小信號端，極限低溫（40）的輸出電壓相對于常溫（25）輸出電壓變化量較大（超出2dB），這將造成低溫下輸出功率檢測誤差較大，而在極限高溫（75）時的輸出電壓相對于常溫時輸出電壓的變化量較?。ㄐ∮?dB)。在進行產(chǎn)品設(shè)計時要考慮到極限低溫下是否要求更高精度的功率檢測，如果極限低溫下對功率檢測精度要求較高則不能選用此電路。 由上圖可以看出:對于GSM900MHz工作頻段上、下行輸出電壓對應(yīng)輸入電平具有良好的一致性，這表明上、下行可以采用相同的監(jiān)控數(shù)據(jù)表。7.2采用AD8312對數(shù)檢波器電路(以GSM900MHz信號為例)

9、由上圖可以看出:通過計算可以得知極限低溫（40）下的輸出電壓與常溫下輸出電壓變化量等效的功率變化量最大值約為1dB。極限高溫（75）下輸出電壓與常溫下輸出電壓變化量等效的功率變化量最大值約為1.4dB。采用對數(shù)檢波器檢測電路高低溫下輸出電壓的穩(wěn)定性 由上圖可以看出:對于WCDMA工作頻段上、下行輸出電壓對應(yīng)輸入電平具有良好的一致性，且單載波和多載波輸出電壓一致性較好，這表明上、下行可以采用相同的監(jiān)控數(shù)據(jù)表。7.3采用AD8362均方根檢波器電路(以WCDMA信號為例) 以上兩圖為AD8362在極限溫度下對WCDMA信號的電壓響應(yīng)曲線,通過計算可以得知極限低溫（40）下的輸出電壓與常溫下輸出電壓變化量等效的功率變化量最大值約為1.2dB。極限高溫（75）下輸出電壓與常溫下輸出電壓變化量等效的功率變化量最大值約為1.2dB。采用對數(shù)檢波器檢測電路高低溫下輸出電壓的穩(wěn)定性八、 總 結(jié)通過理論上分析和實際測試,總結(jié)出如下幾點:1. 采用二極管檢波器的功率檢測電路輸出線性度差,且極限低溫(-40)下輸出電壓與常溫相比變化量大,同時在進行多載波的功率檢測時與單載波相比變化量大.所以,采用二極管檢波器的功率檢測電路只能用于要求檢測精度不高的場合.2. 采用對數(shù)檢波器件的功率檢測電路只能用于恒包絡(luò)調(diào)制信號的功率檢測(如采用GMSK調(diào)制的GSM信