如何测量不同射频应用要求的功率值

随着今天的一切无线化，射频功率测量正在迅速成为必需品。本文重点介绍了许多准确测量RF信号电平的有用技术，以优化这些无线系统的性能。本文讨论了不同应用要求的最佳方法。

RF信号可以采用多种形式，从单载波连续波（CW）到包含高波峰因数的多载波QAM（正交幅度调制）波浪形状。测量这些变化很大的信号的功率水平需要了解它们的特性以及所需的测量精度。如果信号是突发的，例如在TDD（时分双工）系统中，则由于存在时域测量考虑因素而变得更加复杂。无论如何，选择正确的探测器类型有助于简化设计任务。

使用峰值检测测量RF功率

最简单的CW波形测量。即使幅度可以变化，只要信号在振幅相对恒定的规定时间间隔内，就可以用峰值电平检测器进行精确测量，例如凌力尔特公司的LTC5532。该器件内置一个非常快速的肖特基检波器，具有片内温度补偿和2 MHz带宽输出缓冲器。内部肖特基电路峰值检测输入的RF信号并执行峰值保持滤波，产生与RF输入峰值电平成比例的DC输出电压。

LTC5532是一款功耗极低的器件，在工作模式下工作电流为500μA。然而，其内部肖特基电路能够检测7 GHz RF信号。该器件的一个版本，采用6引脚，2 mm x 2 mm塑料DFN封装的LTC5532EDC，具有低寄生效应，可支持12 GHz及更高的工作频率。

图1显示了这个12 GHz探测器的RF输入与11.5 GHz - 12 GHz相匹配。因此，其输入电路可以连接到定向耦合器或RF源的耦合输出。探测器输出放大器增益由R2和R3电阻在外部设置为10k，每个电阻关闭内部放大器周围的环路，同相增益为2。在12 GHz频率下，电路板材料会引入可能影响输入阻抗匹配的电路寄生效应。但是，使用标准FR-4 PC板材料可以实现可接受的性能。 RF输入匹配包括两个1.2 pF电容C1和C3。 C3电容还可用于直流阻断，因为器件的RF输入在内部是直流偏置的。可能需要针对每个特定应用布局或其他操作频率重新优化RF输入匹配。在12 GHz时，RF输入回波损耗测量为10 dB。下一页的图2显示了一幅曲线图，描绘了当12 GHz RF输入信号从-24 dBm扫描到8 dBm时探测器的传输特性，即其有用的探测范围。

图1：12 GHz-RF峰值检测器电路。

图2：12 GHz检测器使用高动态范围检测器测量低电平RF信号

对于需要测量极低电平RF信号的应用，需要具有更高灵敏度的高动态范围检测器。这种功能通常用于测量RSSI的接收器，以便提供AGC（自动增益控制）反馈控制。其他应用包括场强计仪器。对于这种类型的信号测量，对数检测器类型非常适合，因为它测量信号的平均功率。除了具有高动态范围和卓越的灵敏度外，对数检测器还具有延伸至低频的出色带宽特性。它们的输出提供恒定的输出斜率，以mV/dB对数线性缩放，便于使用。

高动态范围对数检测器电路的一个示例如图3所示.LT5538是由凌力尔特公司制造的对数检测器，具有超过60 dB的动态范围。虽然IC能够在40 MHz至38 GHz范围内工作，但所示电路的设计和适当匹配范围为40 MHz至2.2 GHz，涵盖了包括所有蜂窝频段在内的宽频率范围。探测器可以识别小至-68dBm的信号。其动态范围接近70 dB，精度为+/- 1 dB。在较低频率，例如880 MHz，其动态范围提高到74 dB。

图3：高动态范围对数检测器电路。温度漂移对于高精度仪器以及许多高性能无线系统（如蜂窝基站）来说都是一个难题。典型的所需精度为½dB或更好，并且在额定温度极限下保持该公差。 LT5538可在宽动态范围内实现所需的精度，从而最大限度地减少了对温度进行繁琐校准的需求。

LT5538可提供29 mA电源电流，以实现4 GHz最大工作频率。该设备具有关闭功能。在睡眠模式下，器件消耗的静态电流小于100μA。可以打开设备并在300 ns内启动测量。因此，该探测器有助于突发模式测量，节省便携式应用中的功率。

如何测量高波峰因数信号的实际功率

现代宽带无线数据系统使用复杂的调制波形。例如，WiMAX和LTE（第4代，长期演进）采用多个载波，每个载波都用高阶QAM调制进行调制。这些RF信号具有高达12dB的峰均比，并且本质上是非周期性的，使得难以进行精确测量。通常尝试使用查找表进行校准，但只能成功地校正简单的调制波形。然而，随着调制越来越复杂的趋势，使用查找表的校正变得不充分。

新型RMS探测器，凌力尔特公司的LT5581，有助于解决这些不准确问题。该器件采用片上RMS测量电路，可对高波峰因数信号进行高精度功率测量。它能够测量从10 MHz到高达6 GHz的信号。它在较低频率时具有40 dB的动态范围，在高频时具有30 dB的动态范围。此外，该器件在整个温度范围内具有出色的精度，从而提供可重复的测量该器件具有全部功能，仅消耗1.4 mA电源电流。 RF输入是单端的，因此不需要RF巴伦变压器。其宽带宽支持多频段无线电，如3G或4G宽带无线数据调制解调器卡，3G或4G智能电话，WiMAX数据调制解调器卡和高性能便携式无线电。

单端RF输入非常适合直接从RF源（例如RF PA放大器）上分接。这种实现的一个示例在图4中的5.8 GHz WLAN或WiMAX发送器PA放大器功率控制电路中示出。

图4：5.8 GHz-RMS检测器实现。

探测器的RF输入通过由604Ω和75Ω分压器构成的20 dB电阻衰减器分接到PA输出。这种电阻式抽头无需定向耦合器，同时节省了成本。 1.8 pF隔直电容用于匹配探测器的阻抗。整个电阻抽头电路为PA输出引入的插入损耗小于0.2 dB，这个数量非常适中。为了提高耦合精度，604Ω和75Ω电阻应为1％容差元件，1.8 pF应为是5％或更好。电阻丝锥的推荐元件值仅供参考。在实际实现中，值可能略有不同，具体取决于器件布局，PC板寄生效应以及PA和天线的参数。然而，使用定向耦合器具有提供一定方向性的优点，而电阻分接电路则没有。

即，如果PA具有过大的反射功率，耦合器将在很大程度上阻止它，并且对测量精度的影响最小。电阻抽头电路不是这样，它可能会产生少量的测量误差。图5显示了PA放大器输出扫过功率范围时的探测器传递函数。在5.8 GHz时，探测器提供25 dB的动态范围性能，通常足以用于功率控制。在较低的频率，如2.1 GHz或880 MHz，LT5581的动态范围提高到40 dB。

图5：5.8 GHz探测器响应。

结论

根据要测量的信号，可以选择不同的射频探测器来提供最佳选择满足测量需求的解决方案。只要动态范围有限，肖特基峰值检波器就非常适合恒定幅度功率测量。对数检测器具有更高的动态范围和更高的灵敏度，可测量低电平信号对于高波峰因数信号，RMS检测器可以产生最准确的测量结果。