射頻信號(hào)功率檢測(cè)技術(shù)

1、射頻信號(hào)功率檢測(cè)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(cè)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(cè)常用的幾種方法v頻譜儀如何實(shí)現(xiàn)功率的測(cè)量v常用的功率檢測(cè)方法適用范圍比較v幾種實(shí)際使用電路實(shí)測(cè)結(jié)果v總結(jié)一、功率檢測(cè)的意義v在測(cè)量方面的意義：在測(cè)量方面的意義：準(zhǔn)確的功率檢測(cè)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(cè)在功率控制中，特別是保護(hù)放大器和其它附屬設(shè)備不長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)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(duì)于射頻電路來(lái)說(shuō)，由于

2、源阻抗和負(fù)載的阻抗均是固定的，所以實(shí)際上對(duì)于功率的測(cè)量還是依賴于有效值電壓的測(cè)量（即RMS電壓的測(cè)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(hào)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(cè)常用的幾種方法v二極管分立元件檢波方式v采用對(duì)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(duì)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(fù)載。二極管檢波電路的充放電原理較為簡(jiǎn)單，在此不再贅述。二極管分立元件電路輸出電壓對(duì)輸入信號(hào)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(duì)數(shù)放大器的檢波方式v對(duì)數(shù)放大器的構(gòu)成原理框圖如上圖所示：采用級(jí)聯(lián)的放大器，并且在每級(jí)放大器的輸出均采用全波整流電路，各級(jí)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(duì)數(shù)放大器的檢波電路輸出電壓對(duì)輸入信號(hào)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(duì)數(shù)檢波電路具有較寬的動(dòng)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(hào)經(jīng)平方律檢波后再經(jīng)過(guò)以平方律電路作為反饋的放大器放大，在經(jīng)過(guò)緩沖放大后輸出與輸入信

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

5、器顯示。LO對(duì)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(cè)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(dú)立二極管的檢波電路由于沒(méi)有采用溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)等措施，此類器件的優(yōu)勢(shì)為價(jià)格低廉，但性能表現(xiàn)不佳，具體表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)范圍小，線性度差；同時(shí)，由于二極管檢波電路的輸出是對(duì)輸入信號(hào)電壓幅度的響應(yīng)，所以對(duì)于復(fù)雜信號(hào)（例如峰值因子不固定的CDMA和WCDMA的信號(hào)）的準(zhǔn)確功率測(cè)量變得十分困難。v對(duì)數(shù)放大器檢波電路：如ADI公司的AD831*系列，對(duì)數(shù)放大器與二極管檢波器相比的優(yōu)勢(shì)為具有良好的線形、

6、較寬的動(dòng)態(tài)范圍和良好的溫度穩(wěn)定性能。但由于對(duì)數(shù)檢波放大器也是對(duì)輸入信號(hào)電壓的響應(yīng)，所以其輸出電壓也不是與輸入信號(hào)的功率對(duì)應(yīng)，這一點(diǎn)在實(shí)際使用中可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于GSM信號(hào)，單載波時(shí)通過(guò)校準(zhǔn)是比較準(zhǔn)的，但對(duì)于GSM多載波信號(hào)就不準(zhǔn)。而對(duì)于CDMA和WCDMA這些峰值因子不斷變化的信號(hào)功率的準(zhǔn)確測(cè)量更難以實(shí)現(xiàn)，但比較適合GSM單載波信號(hào)的功率測(cè)量（適用于GSM載波選頻直放站的每個(gè)載波通道的功率測(cè)量）。ADI公司該系列的AD8312具有較高的性價(jià)比（網(wǎng)上公開價(jià)格為$1.07)。六、常用的功率檢測(cè)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(duì)應(yīng)輸入信號(hào)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(zhǔn)確測(cè)量任意類型信號(hào)“真實(shí)”功率，但該類器件與二極管檢波器和對(duì)數(shù)檢波器相比的不足為價(jià)格較為昂貴（AD8362的網(wǎng)上公開價(jià)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(hào)(如CDMA和WCDMA信號(hào)的功率檢測(cè))。六、常用的功率檢測(cè)方法適用范圍比較（續(xù)）七、幾種實(shí)際使用電路實(shí)測(cè)結(jié)果7.1采用HSMS-2850二極管檢波器電路(以GSM900MHz信號(hào)為例) 上圖為根據(jù)實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)所繪制出的曲線,對(duì)于GSM900MHz上、下行信號(hào)的輸出電壓一致性較好，這表明上行和下行的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表可以采用同一個(gè)

8、數(shù)據(jù)表。 采用二極管檢波器檢測(cè)電路高低溫下輸出電壓的穩(wěn)定性 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：在小信號(hào)端，極限低溫（40）的輸出電壓相對(duì)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(cè)誤差較大，而在極限高溫（75）時(shí)的輸出電壓相對(duì)于常溫時(shí)輸出電壓的變化量較小（小于1dB)。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到極限低溫下是否要求更高精度的功率檢測(cè)，如果極限低溫下對(duì)功率檢測(cè)精度要求較高則不能選用此電路。 由上圖可以看出:對(duì)于GSM900MHz工作頻段上、下行輸出電壓對(duì)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?cái)?shù)據(jù)表。7.2采用AD8312對(duì)數(shù)檢波器電路(以GSM900MHz信號(hào)為例)

9、由上圖可以看出:通過(guò)計(jì)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(duì)數(shù)檢波器檢測(cè)電路高低溫下輸出電壓的穩(wěn)定性 由上圖可以看出:對(duì)于WCDMA工作頻段上、下行輸出電壓對(duì)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?cái)?shù)據(jù)表。7.3采用AD8362均方根檢波器電路(以WCDMA信號(hào)為例) 以上兩圖為AD8362在極限溫度下對(duì)WCDMA信號(hào)的電壓響應(yīng)曲線,通過(guò)計(jì)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(duì)數(shù)檢波器檢測(cè)電路高低溫下輸出電壓的穩(wěn)定性八、 總 結(jié)通過(guò)理論上分析和實(shí)際測(cè)試,總結(jié)出如下幾點(diǎn):1. 采用二極管檢波器的功率檢測(cè)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(shí)在進(jìn)行多載波的功率檢測(cè)時(shí)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(cè)電路只能用于要求檢測(cè)精度不高的場(chǎng)合.2. 采用對(duì)數(shù)檢波器件的功率檢測(cè)電路只能用于恒包絡(luò)調(diào)制信號(hào)的功率檢測(cè)(如采用GMSK調(diào)制的GSM信