射频功率的测量与控制(一)

来源：analog 发布时间：2023-11-07

摘要： 虽然诸如此类的信号链有各种形状和大小，但在通信应用中普遍需要测量和控制信号功率。

图1所示。展示了典型的现代通信信号链。要传输的信号由数字转换器(DAC)在基带产生。然后将该信号混合到中频(IF)，在混合到最终频率(RF)之前对其进行滤波。在接收端进行逆变换。接收到的信号被放大，混合到中频，滤波，然后混合到基带，在基带进行数字化。

虽然诸如此类的信号链有各种形状和大小，但在通信应用中普遍需要测量和控制信号功率。在发射端，我们必须确保功率放大器(PA)符合法规排放要求。我们还必须确保PA的传输功率不会超过某个功率水平，否则会因过热而损坏。

在接收端，输入信号电平通常会在某个动态范围内变化。这可能是由于天气条件或接收信号的来源远离接收器(例如，在快速行驶的汽车中操作移动电话)。一般来说，我们希望向数字转换器(ADC)提供恒定的信号电平，因为这将最大化信噪比(SNR)。为此，接收信号链通常使用一个或多个可变增益放大器(VGAs)，这些放大器由完成自动增益控制(AGC)回路的功率测量设备控制。请注意，虽然发射功率控制可以发生在射频或中频，但接收端信号处理通常在中频完成。

在这两种情况下，信号强度测量的精度可能至关重要。例如，考虑一个平均传输功率为+50 dBm (100 w)的基站。如果调节基站发射功率的探测器在温度范围内有±3db的不可预测误差，则基站可能在某一时刻被指示发射53dbm (200w)。这显然是不可接受的，因为它会增加额外的热尺寸的成本。

在接收端，不精确的测量电路将导致呈现给ADC的信号电平差。这将导致ADC过载(输入信号过大)或浪费宝贵的动态范围(输入信号过小)。

本系列涉及与测量和控制射频功率电平相关的许多问题。各种功率测量技术，如二极管，热，均方根到直流和对数放大器将被检查。问题，如响应时间，动态范围，分辨率，变化波峰因子，温度稳定性，尺寸和成本也将被检查。

权力

以瓦为单位的功率可以用多种方式表示，即:

其中V为有效值电压，I为有效值电流，R为耗散功率的电阻。由于大多数通信系统具有恒定的负载和源阻抗，通常为50 欧姆，因此我们只需要知道均方根电压就可以计算功率。因此，许多实用的功率测量电路依赖于测量均方根电压。

dBm, dBmV, W, RMS和峰对峰电压之间的转换

有线通信应用中的信号电平通常用dBm表示。然而，对于那些电压响应的“功率”检测器，我们确实应该指定相对于其输入电压的输出电压。对于生活在数据库世界中的人来说，这可能相当令人困惑。在输入信号的峰均比变化的情况下，许多检测器的响应变化使问题进一步复杂化。

dBm单位定义为以dB为单位参考1mw的功率电平，即:

其中功率以瓦表示。

因为功率(瓦特)等于均方根电压的平方，除以阻抗，我们也可以把它写成

由此可见，0dbm等于1mw， + 10dbm等于10mw， + 30dbm等于1w，等等。因为阻抗是这个方程的一个组成部分，所以在讨论dBm电平时，我们通常应该指定线路阻抗(例如20dbm: Re 50 欧姆)。

dBV单位定义为电压等级，以dB为单位，参考1 Vrms，即。

因此，0 dBV = 1 vrm。图2显示了均方根电压、峰间电压、dBV、dBm和mW之间的相互关系。然而，这只适用于负载阻抗为50和波峰系数为1.4142(即，一个正弦波，其中Vrms = Vpeak- peak/2/1.4142)。请注意，在50系统中，dBV和dBm之间有一个恒定的13db偏移(dBm = dBV + 13)。

RMS的定义(1)

均方根(或均方根)是交流信号幅度的基本测量。它的定义可以是实用的，也可以是数学的。实际定义:分配给交流信号的有效值是在相同负载中产生等量热量所需的直流电量。例如，1伏特电压的交流信号将在电阻中产生与1伏特电压信号相同的热量。从数学上定义，电压的均方根值为，

这包括对信号进行平方，取平均值，然后得到平方根。平均时间必须足够长，以便在所需的最低工作频率下进行滤波。

波峰系数的定义

波形的波峰系数是其峰值与其有效值的比值。诸如振幅对称方波或直流电平之类的信号的波峰系数为1。其他波形，本质上更复杂，有更高的波峰因子。正弦波的波峰系数为2(即1.4142)。因此，均方根电平为1 V的正弦波的峰间振幅为2.8284 V。

信号幅度测量技术

二极管检测

图3显示了一种流行的二极管检测电路的原理图。这是一个简单的半波整流器输出滤波。输入端的68电阻产生标称的50输入匹配。

图4显示了输出电压与输入信号的关系，单位为dBm。

虽然该电路在25°C时的传递函数是合理的线性，但在低输入电平和温度过高时，性能会显著下降。图5显示了一个改进的二极管检测器电路，其中包含一些温度补偿。在这个电路中，二极管电压的温度依赖性由第二个二极管补偿。因此，当D1上的电压降随着温度的升高而增加时，D2上的电压保持不变。这使用作输出的电阻分压器中心的电压保持恒定。

图6显示了该温度补偿电路的传递函数。为了进一步观察改善的线性和温度稳定性，线性回归可以计算出这些点的最佳直线拟合;也就是说，方程的形式是，

请注意，为了进行此计算，有必要将功率数(以dBm为单位)转换为电压(电压输入/电压输出传递函数给出名义上的线性关系)。利用这条理想直线，我们可以绘制出响应在其动态范围内的线性关系。在实际应用中，我们希望在室温下校准电路，而不是在温度过高的情况下。因此，我们计算了相对于室温下测量的最佳直线的温度误差。这为我们提供了该解决方案的系统级精度的良好度量。

从图6可以看出，温度补偿二极管检测器在高功率电平时具有良好的温度稳定性，但在低输入电平时温度稳定性和线性度仍然较差。重要的是要注意，电路的输出不能加载任何显著的电阻。在低温下，该电路具有极高的输出阻抗。事实上，驱动任何小于FET缓冲放大器将导致温度补偿算法失败，其性能类似于图4。

二极管检测器电路不测量真实的有效值信号强度，这些检测器的输出电压作为输入信号峰值因子的函数而变化，即使输入有效值信号强度保持不变(较高的峰值因子给出较低的输出电压)。然而，在信号具有恒定波峰因子的系统中，只要探测器已正确校准，这可能无关紧要。因此，如果一个r0链路，例如，只使用一种调制方案(例如QPSK)，可以进行精确的功率测量。然而，在具有不同波峰因子的系统中，如CDMA或WCDMA，真正的均方根测量变得困难。这个问题的一个解决方案是根据基站中的呼叫时长使用不同的查找表(正是特定信道中的呼叫时长改变了波峰因子)。然而，这需要为每个呼叫长场景校准基站。在多载波系统中，当多个载波的波峰因子相互独立地变化时，问题变得更加严重。

二、热探测

热探测本质上涉及到我们之前看到的均方根经典定义的实际实现。这是理论上最简单的均方根测量技术;然而，在实践中，实施起来既困难又昂贵。它涉及将未知交流信号的热值与已知校准直流参考电压的热值进行比较(见图7)。当校准的基准电压调整为零时，参考电阻(R2)和信号电阻(R1)之间的温度差为零，这两个匹配电阻的功耗将相等。因此，根据均方根的基本定义，直流参考电压的值等于未知信号电压的均方根值。