適合便攜式系統(tǒng)的RF功率測量方法

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(zhǔn)確測量 RF 信號(hào)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(hào)可以采取多種形式。測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)，測量就變得更加復(fù)雜，因?yàn)榇嬖跁r(shí)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(jì)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(hào)在幅度相對固定的規(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)確測量。這個(gè)器件用非?？斓男ぬ鼗鶛z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 7GHz RF 信號(hào)。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(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，從而對內(nèi)部放大器 (具有一個(gè)數(shù)值為2的同相增益) 周圍的環(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，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，測得的RF輸入回程損耗為10dB。圖2中的曲線圖描繪的是：當(dāng)一個(gè)12GHz RF輸入信號(hào)掠過-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)范圍檢波器測量低電平 RF 信號(hào)

就需要測量電平非常低的 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。這類功能常常用于為提供 AGC (自動(dòng)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(qiáng)計(jì)儀表。就這類信號(hào)測量而言，對數(shù)檢波器非常適合，因?yàn)樗鼫y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 對數(shù)線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數(shù)檢波器，具有超過 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)范圍對數(shù)檢波器電路。

溫度漂移對高準(zhǔn)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(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)測量。因此這個(gè)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。