適合便攜式系統(tǒng)的RF功率測量方法

設(shè)計(jì)低功率電路同時實(shí)現(xiàn)可接受的性能是一個困難的任務(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 信號可以采取多種形式。測量這些參差不齊的信號功率需要了解它們的特性以及所需的測量準(zhǔn)確度。如果信號是突發(fā)性的，諸如 TDD (時分雙工) 系統(tǒng)中的信號，測量就變得更加復(fù)雜，因?yàn)榇嬖跁r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，只要信號在幅度相對固定的規(guī)定時間間隔之內(nèi)，那么就所有實(shí)際目的而言，都可以用一個諸如凌力爾特公司 LTC5532 那樣的峰值檢波器進(jìn)行準(zhǔn)確測量。這個器件用非常快的肖特基檢波器制造，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，并執(zhí)行峰值保持濾波，從而產(chǎn)生一個與 RF 輸入峰值成正比的 DC 輸出電壓。

LTC5532 是一個功率非常低的器件，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。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 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定向耦合器的耦合輸出或一個 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，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 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12GHz RF輸入信號掠過-24dBm至8dBm (有效檢波范圍) 時檢波器的傳輸特性。

圖1：一個 12GHz RF 峰值檢波器電路。

圖2：12GHz 檢波器特性。

用一個大動態(tài)范圍檢波器測量低電平 RF 信號

就需要測量電平非常低的 RF 信號的應(yīng)用而言，一個具有更高靈敏度的大動態(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。就這類信號測量而言，對數(shù)檢波器非常適合，因?yàn)樗鼫y量信號的平均功率。除了有大動態(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。

大動態(tài)范圍對數(shù)檢波器電路的一個例子 (如圖 3 所示)。LT5538 是一個凌力爾特公司制造的對數(shù)檢波器，具有超過 60dB 的動態(tài)范圍。盡管這個 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。這個檢波器可以分辨出一個小至 -68dBm 的信號。其動態(tài)范圍涵蓋近 70dB，具 ±1dB 的準(zhǔn)確度。在更低頻率時 (例如在 880MHz)，其動態(tài)范圍改善到 74dB。

圖3：一個大動態(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)接通和啟動測量。因此這個檢波器方便了突發(fā)模式測量，從而節(jié)省了便攜式應(yīng)用的功率。