基于二極管檢波的功率測(cè)量技術(shù)研究

1、引言

功率是表征微波信號(hào)特征的一項(xiàng)重要參數(shù)。近年來，隨著數(shù)字無線通信、雷達(dá)、廣播電視等通信技術(shù)的迅速發(fā)展，各種調(diào)制技術(shù)所采用微波信號(hào)的頻率范圍、功率電平、調(diào)制方式和信號(hào)頻譜各不相同，如何根據(jù)具體的應(yīng)用，選擇不同的功率測(cè)量方案，從而實(shí)現(xiàn)功率的準(zhǔn)確測(cè)量，是電子測(cè)試和無線應(yīng)用科研人員必須面對(duì)的一個(gè)問題。

　　本文在探討微波功率傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論了二極管功率檢波技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)電路，并結(jié)合TD-SCDMA信號(hào)的功率測(cè)試需求，給出了較為典型的功率測(cè)量解決方案。

2、二極管功率傳感技術(shù)

射頻、微波和毫米波頻段功率測(cè)量常采用終端式測(cè)量方法[1,2]。終端式功率計(jì)主要包含功率探頭和功率計(jì)主機(jī)兩部分，功率探頭利用某種能量轉(zhuǎn)換裝置將微波功率最終轉(zhuǎn)換為可測(cè)的電信號(hào)，然后在功率計(jì)主機(jī)測(cè)量通道內(nèi)，經(jīng)過模擬信號(hào)調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換電路，由CPU和DSP進(jìn)行軟件補(bǔ)償、校準(zhǔn)等一系列處理后，獲得精度可靠、一致性好的測(cè)量結(jié)果。

功率傳感技術(shù)是功率測(cè)試儀器的核心，目前已經(jīng)由最初的熱敏電阻式過度到熱電偶式和二極管檢波式。下面分別逐一介紹。

2.1 熱敏電阻式和熱電偶式功率測(cè)量技術(shù)

熱敏電阻式功率探頭是利用溫度變化引起電阻阻值變化的原理工作的，這種溫度變化來源于微波信號(hào)在測(cè)熱電阻元件上耗散的能量。熱敏電阻功率計(jì)由于測(cè)量功率范圍小、測(cè)量速度低等原因，已經(jīng)逐漸被二極管式和熱偶式功率計(jì)代替，但由于熱敏電阻功率探頭內(nèi)熱敏電阻所吸收的射頻功率與熱敏電阻上的直流替代功率有相同的熱效應(yīng)，可以認(rèn)為是“閉環(huán)”的，穩(wěn)定性很好，因此在功率溯源方面仍用于功率標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。

　　熱電偶式功率探頭能夠吸收微波熱量并將其轉(zhuǎn)換成不同金屬結(jié)點(diǎn)上的溫差熱電勢(shì)，然后由后續(xù)電路處理并最終測(cè)得信號(hào)的功率值。由于熱電偶式功率探頭的熱電壓正比于冷熱點(diǎn)的溫差，而溫差又正比于輸入的微波功率，故熱電偶式功率計(jì)為真正有效值測(cè)量，也就是說輸出直流電壓與輸入射頻功率始終成正比，因此是真正的平均功率檢波器，能實(shí)現(xiàn)包括CW、脈沖調(diào)制、復(fù)雜數(shù)字調(diào)制和多音信號(hào)在內(nèi)的多種調(diào)制信號(hào)平均功率的測(cè)量。但是，熱電偶式功率探頭的動(dòng)態(tài)范圍只有50dB，最低只能測(cè)量-30dBm的功率電平，同時(shí)無法進(jìn)行真正的峰值包絡(luò)功率的測(cè)量。目前已逐漸被高性能寬視頻帶寬二極管式功率測(cè)量?jī)x器所取代。

2.2 二極管檢波式功率測(cè)量技術(shù)

長(zhǎng)期以來，整流二極管在微波頻段一直用作檢波器進(jìn)行微波信號(hào)的包絡(luò)檢波，進(jìn)行相對(duì)功率的測(cè)量。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和微波半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，借助于功率線性校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償、校準(zhǔn)因子等數(shù)據(jù)修正和校準(zhǔn)技術(shù)，使得利用二極管實(shí)現(xiàn)絕對(duì)功率的準(zhǔn)確測(cè)量成為可能，可實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍的CW平均功率、調(diào)制信號(hào)平均功率和寬帶峰值功率的測(cè)量。

數(shù)學(xué)上，檢波二極管服從于二極管方程

（1）儀器儀表學(xué)報(bào)

其中，i為二極管電流；Is為飽和電流，在給定溫度下為常數(shù)；V為跨在二極管上的凈電壓；α＝q/nkT， q為電子電荷，n是適應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。從式（1）可以看出，正是該級(jí)數(shù)的二次及其它偶次項(xiàng)提供了整流作用。對(duì)于小信號(hào)的整流，只有二次項(xiàng)有意義，從而稱該二極管工作在平方律區(qū)域，即輸出電流或電壓正比于射頻輸入電壓的平方。當(dāng)V高得使四次項(xiàng)不能忽略時(shí)，二極管的響應(yīng)便不再處于平方律檢波區(qū)，而是按準(zhǔn)平方律整流，稱之為過渡區(qū)，再往上就到了線性檢波區(qū)。

圖1為典型二極管檢波器的檢波特性曲線和溫度特性曲線，其平方律檢波區(qū)從噪聲電平開始（一般可從-70dBm開始）一直延伸到-20dBm左右這一區(qū)域，自-20dBm到0dBm為過渡區(qū)，0dBm以上為線性區(qū)。對(duì)于普通檢波二極管來說，最大輸入功率一般不能超過+20dBm，否則可能燒毀二極管。由于二極管檢波特性隨溫度變化而改變，且二極管檢波的靈敏度和反射系數(shù)也與溫度關(guān)系密切，因此必須根據(jù)圖1所示的功率、溫度、誤差（即溫度補(bǔ)償系數(shù)）的三維曲面，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

圖1 二極管檢波特性曲線及溫度特性曲線

現(xiàn)代二極管功率探頭常采用圖2所示的平衡配置雙二極管檢波結(jié)構(gòu)，輸入的射頻信號(hào)進(jìn)入隔直流電容Cc和衰減器，再經(jīng)過50Ω負(fù)載匹配后進(jìn)入雙二極管檢波器，兩個(gè)檢波器檢波輸出的正負(fù)直流信號(hào)通過視頻濾波電容送入前置放大器處理。這種結(jié)構(gòu)能夠消除小信號(hào)測(cè)量時(shí)不同金屬連接所導(dǎo)致的熱效應(yīng)，能抑制輸入信號(hào)中偶次諧波造成的測(cè)量誤差，提高信噪比。

圖2 雙二極管檢波器組件原理框圖

為了拓寬二極管檢波的動(dòng)態(tài)范圍，需要利用標(biāo)準(zhǔn)CW源對(duì)非平方律區(qū)的檢波測(cè)量值進(jìn)行線性校準(zhǔn)和補(bǔ)償，使探頭動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到-70 ~ +20dBm。但是，復(fù)雜數(shù)字調(diào)制信號(hào)和脈沖調(diào)制信號(hào)不是恒定幅度的CW信號(hào)。由于檢波二極管存在檢波電壓的非平方律特性，調(diào)制信號(hào)檢波包絡(luò)各點(diǎn)檢波電壓的權(quán)值不一樣，在非平方律區(qū)各點(diǎn)利用檢波電壓求和取得的平均功率誤差很大，因此這種使用CW校準(zhǔn)源進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展的方案，只適用于全動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的CW平均功率或低電平（小于-20dBm）調(diào)制信號(hào)的平均功率測(cè)量。

如果要實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍平均功率的準(zhǔn)確測(cè)量，可以采用隨后介紹的二極管級(jí)聯(lián)技術(shù)。

為了滿足大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)調(diào)制信號(hào)及窄脈沖信號(hào)平均功率的測(cè)試需求，近年出現(xiàn)了多路徑、多二極管平均功率探頭[2]。其核心思想是利用二極管級(jí)聯(lián)技術(shù)向上拓寬平方律檢波區(qū)，并將整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍分為多個(gè)測(cè)量路徑，使每個(gè)路徑內(nèi)的二極管堆棧都能工作在平方律區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)平均功率的精確測(cè)量，并且無需考慮信號(hào)帶寬的限制。其典型原理框圖如圖3所示。