射频信号功率检测技术

RF信号功率检测技术研发中心预研部射频室2005年07月编写：朱俊杰目录功率检测的意义功率的定义常用的几种单位之间的关系功率检测常用的几种方法频谱仪如何实现功率的测量常用的功率检测方法适用范围比较几种实际使用电路实测结果总结一、功率检测的意义在测量方面的意义：准确的功率检测可以让用户了解设备的当前工作状态。在控制方面的意义：功率检测在功率控制中，特别是保护放大器和其它附属设备不长时间超负荷工作的作用十分重大。二、功率的定义以瓦（W）为单位的功率定义为:其中，V和I均为有效值，而R为阻抗，射频电路的阻抗通常为50Ω。对于射频电路来说，由于源阻抗和负载的阻抗均是固定的，所以实际上对于功率的测量还是依赖于有效值电压的测量（即RMS电压的测量）。2V三、几种常用的单位之间的关系峰值因子的定义：信号的峰值与有效值之间的比值。功率和电压之间的换算关系图四、功率检测常用的几种方法二极管分立元件检波方式采用对数放大器的检波方式采用RMS-DC变换器的检波方式4.1采用二极管分立元件的检波方式二极管分立元件检波电路原理图上图所示：输入端的对地电阻起到输入阻抗匹配的作用，二极管输出端的电容为充放电电容，R1为有效负载。二极管检波电路的充放电原理较为简单，在此不再赘述。二极管分立元件电路输出电压对输入信号的响应和温度稳定性由上图可以看出：二极管分立元件电路温度稳定性能很差。4.2采用对数放大器的检波方式对数放大器的构成原理框图如上图所示：采用级联的放大器，并且在每级放大器的输出均采用全波整流电路，各级输出的全波整流电路的输出经加法器相加后再经低通滤波器滤波后输出较为平滑的直流电压。采用对数放大器的检波电路输出电压对输入信号的响应和温度稳定性由上图可以看出：与二极管分立元件检波电路相比，对数检波电路具有较宽的动态范围和良好的温度稳定性能。4.3采用RMS-DC变换器的检波方式上图为ADI公司的AD8361芯片的内部电路原理框图，输入的信号经平方律检波后再经过以平方律电路作为反馈的放大器放大，在经过缓冲放大后输出与输入信号有效值对应的电压Vrms。举例：ADI公司的有效值检波器AD8362对不同信号的响应由上图可以看出：RMS-DC变换检波电路对于不同的输入信号均具有良好的输出线性和稳定性以及较宽的线形动态范围。五、频谱仪如何实现功率测量频谱仪的信号功率检测实现如上图所示：输入信号经可变衰减器（频谱仪的ATT）衰减后进行下变频处理，变频后的信号经过可变带宽带通滤波器进行滤波（频谱仪的RBW）后送入包络检波器进行信号的包络检测，经对数放大器放大后（有些指标不用经过对数放大器）送入低通滤波器进行视频滤波（频谱仪的VBW），再接下来就由微处理器控制信号的采样方式（频谱仪的检波方式的选择）并进行A/D转换后送至显示器显示。LO对数放大器检波方式A/D显示ATT变频RBW包络检波VBW采样和数据处理六、常用的功率检测方法适用范围比较二极管分立元件检波电路：如公司目前仍在使用的Agilent公司的HSMS-2850，采用独立二极管的检波电路由于没有采用温度补偿和校准等措施，此类器件的优势为价格低廉，但性能表现不佳，具体表现为动态范围小，线性度差；同时，由于二极管检波电路的输出是对输入信号电压幅度的响应，所以对于复杂信号（例如峰值因子不固定的CDMA和WCDMA的信号）的准确功率测量变得十分困难。对数放大器检波电路：如ADI公司的AD831*系列，对数放大器与二极管检波器相比的优势为具有良好的线形、较宽的动态范围和良好的温度稳定性能。但由于对数检波放大器也是对输入信号电压的响应，所以其输出电压也不是与输入信号的功率对应，这一点在实际使用中可以发现：对于GSM信号，单载波时通过校准是比较准的，但对于GSM多载波信号就不准。而对于CDMA和WCDMA这些峰值因子不断变化的信号功率的准确测量更难以实现，但比较适合GSM单载波信号的功率测量（适用于GSM载波选频直放站的每个载波通道的功率测量）。ADI公司该系列的AD8312具有较高的性价比（网上公开价格为$1.07)。六、常用的功率检测方法适用范围比较（续）RMS-DC变换检波电路：此类产品的输出电压是对应输入信号的有效值，所以又被称为“TRUEPOWER”检波器。ADI公司的AD836*系列即为此类产品。该类产品可以准确测量任意类型信号“真实”功率，但该类器件与二极管检波器和对数检波器相比的不足为价格较为昂贵（AD8362的网上公开价格为$6.25),RMS-DC变换检波电路非常适用于峰值因子不断变化的信号(如CDMA和WCDMA信号的功率检测)。六、常用的功率检测方法适用范围比较（续）七、几种实际使用电路实测结果7.1采用HSMS-2850二极管检波器电路(以GSM900MHz信号为例)上图为根据实际测试的数据所绘制出的曲线,对于GSM900MHz上、下行信号的输出电压一致性较好，这表明上行和下行的监控数据表可以采用同一个数据表。01000200030004000500060007000-2-5-8-11-14-17-20-23-26dBmmVGSM上行GSM下行采用二极管检波器检测电路高低温下输出电压的稳定性试验数据表明：在小信号端，极限低温（－40℃）的输出电压相对于常温（＋25℃）输出电压变化量较大（超出2dB），这将造成低温下输出功率检测误差较大，而在极限高温（＋75℃）时的输出电压相对于常温时输出电压的变化量较小（小于1dB)。在进行产品设计时要考虑到极限低温下是否要求更高精度的功率检测，如果极限低温下对功率检测精度要求较高则不能选用此电路。GSM上行温度变化曲线01000200030004000500060007000-2-5-8-11-14-17-20-23-26dBmmV常温低温高温GSM下行温度变化曲线01000200030004000500060007000-2-4-6-8-10-12-14-16-18-20-22-24-26dBmmV常温高温低温由上图可以看出:对于GSM900MHz工作频段上、下行输出电压对应输入电平具有良好的一致性，这表明上、下行可以采用相同的监控数据表。7.2采用AD8312对数检波器电路(以GSM900MHz信号为例)01002003004005006007008009001000-5-10-15-20-25-30-35-40-45dBmmVGSM上行GSM下行由上图可以看出:通过计算可以得知极限低温（－40℃）下的输出电压与常温下输出电压变化量等效的功率变化量最大值约为1dB。极限高温（＋75℃）下输出电压与常温下输出电压变化量等效的功率变化量最大值约为1.4dB。采用对数检波器检测电路高低温下输出电压的稳定性GSM上行温度变化曲线02004006008001000-5-10-15-20-25-30-35-40-45dBmmV高温常温低温GSM下行温度变化曲线02004006008001000-5-10-15-20-25-30-35-40-45dBmmV常温高温低温由上图可以看出:对于WCDMA工作频段上、下行输出电压对应输入电平具有良好的一致性，且单载波和多载波输出电压一致性较好，这表明上、下行可以采用相同的监控数据表。7.3采用AD8362均方根检波器电路(以WCDMA信号为例)050010001500200025003000-5-10-15-20-25-30-35-40-45-50dBmmVWCDMA上行WCDMA下行单载波WCDMA下行两载波以上两图为AD8362在极限温度下对WCDMA信号的电压响应曲线,通过计算可以得知极限低温（－40℃）下的输出电压与常温下输出电压变化量等效的功率变化量最大值约为1.2dB。极限高温（＋75℃）下输出电压与常温下输出电压变化量等效的功率变化量最大值约为1.2dB。采用对数检波器检测电路高低温下输出电压的稳定性WCDMA上行温度变化曲线050010001500200025003000-5-10-15-20-25-30-35-40-45-50dBmmV常温低温高温WCDMA下行温度变化曲线050010001500200025003000-5-10-15-20-25-30-35-40-45-50dBmmVWCDMA下行单载波常温WCDMA下行单载波低温WCDMA下行单载波高温WCDMA两载波常温WCDMA两载波低温WCDMA两载波高温八、总结通过理论上分析和实际测试,总结出如下几点:1.采用二极管检波器的功率检测电路输出线性度差,且极限低温(-40℃)下输出电压与常温相比变化量大,同时在进行多载波的功率检测时与单载波相比变化量大.所以,采用二极管检波器的功率检测电路只能用于要求检测精度不高的场合.2.采用对数检波器件的功率检测电路只能用于恒包络调制信号的功率检测(如采用GMSK调制的GSM信号),不能用于峰均比(或峰值因子)不断变化的信号(如CDMA和WCDMA信号的功率检测).3.采用均方根检波器的功率检测电路可以用于任意波形的信号功率检测,均方根检波器也是目前唯一与输入信号波形无关的输出电压响应器件.但该类器件价格较为昂贵.在具体的设计时,可以根据不同用户需求的不同在以上多种解决方案中选取.