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射频真有效值功率 测量技术. 河北科技大学 电子信息工程系 数字化测量技术省级精品课. 射频真有效值功率测量技术. 0 引言 1 射频功率测量技术 2 单片真有效值功率测量系统 的原理 3 单片真有效值功率测量系统 的应用 4 结语.
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射频真有效值功率 测量技术 河北科技大学 电子信息工程系 数字化测量技术省级精品课
射频真有效值功率测量技术 • 0 引言 • 1 射频功率测量技术 • 2 单片真有效值功率测量系统的原理 • 3 单片真有效值功率测量系统的应用 • 4 结语
0 引言功率是表征射频信号特性的一个重要参数。近年来随着移动通信技术的迅速发展，准确测量通信系统中发射机与接收机的功率已成为关键技术之一。射频功率计一般由功率传感器（亦称功率探头）、功率检测电路和显示装置组成。功率计分吸收式（又称终端式）和通过式两种，前者是以功率传感器探头作为被测系统的终端负载，由它吸收全部被测功率，最后通过显示器显示出被测功率值。
传统的射频功率计或射频检测系统的电路复杂，集成度很低。最近，美国ADI公司相继推出AD8361、AD8362、AD8318型全集成化的单片射频真有效值功率测量系统，不仅能精确测量射频（RF）功率，还可测量中频（IF）、低频（LF）功率。传统的射频功率计或射频检测系统的电路复杂，集成度很低。最近，美国ADI公司相继推出AD8361、AD8362、AD8318型全集成化的单片射频真有效值功率测量系统，不仅能精确测量射频（RF）功率，还可测量中频（IF）、低频（LF）功率。
此外，还有美国凌特（Linear Technology）公司开发的LT5504、LTC5507型单片射频功率测量系统。 MAXIM公司生产的MAX2015型单片射频功率测量系统。这类芯片的问世，为实现射频及宽频带功率检测系统的优化设计创造了条件。
对通信系统的要求是在发送端必须确保功率放大器能满足发射的需要，并且输出功率不超过规定指标，否则会导致设备过热损坏。因此，在发射机电路中必须增加射频功率测量和功率控制电路。同样，射频功率测量对接收机也是必不可少的。只有准确测量射频功率，才能控制可变增益放大器，实现自动增益控制（AGC），减小信号失真。对通信系统的要求是在发送端必须确保功率放大器能满足发射的需要，并且输出功率不超过规定指标，否则会导致设备过热损坏。因此，在发射机电路中必须增加射频功率测量和功率控制电路。同样，射频功率测量对接收机也是必不可少的。只有准确测量射频功率，才能控制可变增益放大器，实现自动增益控制（AGC），减小信号失真。 现代通信系统由发射机和接收机组成，其典型电路框图如图1所示。
1.1.2 功率测量的基本概念 1. 有效值功率的定义 有效值（RMS）亦称均方根值。有效值电压被定义为对输入交流信号u先进行平方，再取平均值，然后做开平方运算所得到的电压值。 根据有效值定义计算出的功率称为“真有效值功率”（True Root Mean Square Power），简称“真功率”（True Power）。 计算功率的公式为 P＝U2/R＝UI＝I2R（1） 式中，U是有效值电压，I是有效值电流，R是消耗功率的电阻。由于现代通信系统具有恒定的负载和阻抗源（通常为50Ω），因此只需知道有效值电压就能计算出功率，即可将功率测量转化为对有效值电压的测量。
有效值电压的另一种定义为，在相同负载中与直流电压产生相同热量的交流电压的有效值，例如有效值为1V的交流信号与1V直流电压在同一电阻上所产生的热量是相同的。有效值电压的另一种定义为，在相同负载中与直流电压产生相同热量的交流电压的有效值，例如有效值为1V的交流信号与1V直流电压在同一电阻上所产生的热量是相同的。
2. UP-P、URMS、dBm、dBV、mW的转换关系 在通信系统中，功率电平用dBm表示。功率电平是以1mW的功率作为零功率电平（0dBm）。因此，被测功率电平可表示成 P［dBm］＝10lg［P(mW ) / 1mW］＝10lg ［(U 2RMS / R) /1mW］ （2） 这里的0dBm相当于1mW，＋10dBm相当于10mW，＋30dBm相当于1W，依此类推。 dBV表示电压电平，它是以在1Ω负载上1mV的电压作为零电压电平（0dBV）。有公式 U(dBV)＝20lg (URMS /1V)（3） 这里的0dBV相当于1V（有效值）。 在阻抗为50Ω的系统中，dBV与dBm的换算关系为 dBm＝dBV＋13dB （4）
1.1.3 功率测量技术 测量功率有4种方法： ①用二极管检测功率法； ②等效热功耗检测法； ③真有效值／直流（TRMS/DC）转换检测功率法； ④对数放大检测功率法。 下面分别介绍这4种方法并对各自的优缺点加以比较。
1. 用二极管检测功率法 用二极管检测输入功率的电路如图3所示，这是一个简单的半波整流、滤波电路，该电路的总输入电阻为50Ω。VD为整流管，C为滤波电容。射频输入功率PIN经过整流滤波后得到输出电压UO。 图3 用二极管检测输入功率的电路
在不同环境温度下UO与PIN的关系曲线如图4所示。由图可见，仅在环境温度为＋25℃下UO与PIN近似呈线性关系，当环境温度升高或降低时UO会显著降低。在不同环境温度下UO与PIN的关系曲线如图4所示。由图可见，仅在环境温度为＋25℃下UO与PIN近似呈线性关系，当环境温度升高或降低时UO会显著降低。 图4在不同温度下输出电压和输入功率的关系曲线
经过改进后的二极管检测输入功率的电路如图5所示。二极管具有负的温度系数，当温度升高时VD1的压降会减小，但VD2的压降也同样地减小，最终使输出电压仍保持恒定。经过改进后的二极管检测输入功率的电路如图5所示。二极管具有负的温度系数，当温度升高时VD1的压降会减小，但VD2的压降也同样地减小，最终使输出电压仍保持恒定。 图5 带温度补偿的二极管检测输入功率的电路
需要指出，二极管检测电路是以平均值为响应的，它并不能直接测量输入功率的有效值，而是根据正弦波有效值与平均值的关系来间接测量有效值功率的。显然，当被测波形不是正弦波时，波峰因数就不等于1.4142，此时会产生较大的测量误差。需要指出，二极管检测电路是以平均值为响应的，它并不能直接测量输入功率的有效值，而是根据正弦波有效值与平均值的关系来间接测量有效值功率的。显然，当被测波形不是正弦波时，波峰因数就不等于1.4142，此时会产生较大的测量误差。
2. 等效热功耗检测法 等效热功耗检测法是基于有效值的第二种定义而提出来的。它是把一个未知的交流信号的等效热量和一个直流参考电压的有效热量进行比较。当信号电阻（R1）与参考电阻（R2）的温度差为零时，这两个电阻的功耗是相等的，因此未知信号电压的有效值就等于直流参考电压的有效值。R1、R2为匹配电阻，均采用低温度系数的电阻，二者的电压降分别为KUI、KUO。为了测量温差，在R1、R2附近还分别接着电压输出式温度传感器A、B，亦可选用两支热电偶来测量温差。
等效热功耗检测法的检测电路如图7所示。其原理非常简单，但在实际应用中很难实现，并且这种检测设备的价格非常昂贵。 图7 等效热功耗检测法的电路
3.真有效值／直流（TRMS/DC）转换检测功率法 真有效值／直流转换检测功率法的最大优点是测量结果与被测信号的波形无关，这就是“真正有效值”的含义。因此，它能准确测量任意波形的真有效值功率。 测量真有效值功率的第一种方法是采用单片真有效值／直流转换器（例如AD636型），首先测量出真有效值电压电平，然后转换成其真有效值功率电平。
另一种测量真有效值功率的电路框图如图8所示. 图8另一种测量有效值功率的电路框图
当闭环电路达到稳定状态时，输出电压UO（DC）就与输入有效值功率PIN成正比。有关系式当闭环电路达到稳定状态时，输出电压UO（DC）就与输入有效值功率PIN成正比。有关系式 UO＝kPIN（5） 式中的k为真有效值／直流转换器的输出电压灵敏度，AD8361的k＝7.5mV/dBm。 这种检测方法有以下优点：第一，由于两个平方器完全相同，因此在改变量程时不影响转换精度；第二，当环境温度发生变化时，两个平方器能互相补偿，使输出电压保持稳定；第三，所用平方器的频带非常宽，可从直流一直到微波频段。
该有效值／直流检测器的UO与PIN、γ的特性曲线如图9所示。由图可见，当输入功率较低时，低温对输出的影响较大。该有效值／直流检测器的UO与PIN、γ的特性曲线如图9所示。由图可见，当输入功率较低时，低温对输出的影响较大。 图9 UO与PIN的关系及误差曲线
AD8361内部有温度补偿电路，经过自动补偿后的特性曲线如图10所示。AD8361内部有温度补偿电路，经过自动补偿后的特性曲线如图10所示。 图10 经过自动补偿后的特性曲线
4.对数放大检测功率法 对数放大检测器是由多级对数放大器构成的，其电路框图如图11所示。 图11 对数放大检测器的电路框图
对数放大器能对输入交流信号的包络进行对数运算，其输出电压与kS、PIN的关系式为对数放大器能对输入交流信号的包络进行对数运算，其输出电压与kS、PIN的关系式为 UO＝kS (PIN－b)（6） 式中的b代表截距，即对应于输出电压为零时的输入功率电平值。
对数放大器的特性曲线如图12所示。由图可见，对应于±1dB的测量误差，输入功率电平的动态范围是－65dB～－5 dB。对数放大检测法的优点是动态范围宽并且斜率恒定。 图12 对数放大器的特性曲线
典型信号 修正值 备注 正弦波信号 0dB 应将修正值与输出功率电平值相加 方波或直流信号 －3.01dB 三角波信号 ＋0.9dB GSM信号 ＋0.55dB CDMA信号（正向连接） ＋3.55dB CDMA信号（反向连接） ＋0.5dB PDC信号 ＋0.58dB 高斯噪声 ＋2.51dB 一般讲，对数放大器的特性曲线仅适用于正弦波输入信号。当输入信号不是正弦波时，特性曲线上的截距会发生变化，从而影响到输出电压值。此时应对输出读数进行修正。不同输入波形的输出修正值见表7.1。需要指出，尽管ADI公司生产的AD8362型单片射频真有效值功率检测系统也属于对数检测功率法，但它通过采用独特的专利技术能适用于任何输入信号波形，并且特性曲线上的截距不随输入信号而变化。 表7.1不同输入波形的修正值
2 AD8362型单片真有效值功率测量系统的原理 美国ADI公司于2001年、2002年先后推出了AD8361、8362型单片高精度射频真有效值功率检测系统集成电路，2003年又对AD8362做了进一步地改进。上述产品均采用真有效值功率测量的专利技术（TruPwr™），芯片中包含了独特的双平方器闭环比较转换电路，可为用户提供一种以分贝（dB）为单位、经过精确标定的线性输出电压。AD8361的工作频率范围是从低频到2.5 GHz，测量功率的范围为30dBm。AD8362的工作频率是50Hz～2.7GHz，测量功率的范围是60dBm。它们不仅可广泛用于3G－CDMA，CDMA、EDGE等移动通信设备及射频仪器仪表中测量射频（RF）功率，还可构成闭环功率控制系统。
AD8362的性能特点 （1）属于吸收式功率计，能完成高精度的真有效值／直流（TRMS/DC）转换，为用户提供一种以分贝为单位的线性输出电压，这对于测量基站通信设备的功率非常重要。其频率带宽与输入信号幅度无关。 （2）AD8362能在50Hz～2.7GHz的宽频带范围内准确测量真有效值功率，在50Ω系统中测量功率的范围是－45dBm～＋15dBm，动态范围是60 dBm，输出电压灵敏度为50mV/dBm，测量误差为±0.5dBm。 （3）有3种工作模式可供选择（功率测量模式，功率控制模式，休眠模式）。射频输入接口的输入阻抗可设定为100Ω（差分输入）或200Ω（单端输入）。 （4）该器件在出厂前已进行过激光标定，测量时还能自动修正误差，能在整个动态范围内保证高精度和高稳定性指标。 （6）采用＋5V单电源供电。
AD8362的内部框图如图2所示。 图2 AD8362的内部框图
AD8362的工作原理示意图如图3所示。G代表由A4所设定的VGA增益。USIG为VGA的输出电压，UATG为调幅电压，UTGT为UTGT引脚的输入电压。ISQU为平方律检波器输出的脉动电流，ITGT为温度补偿电流，A为求和点。A2的增益由内部电阻r1、r2来设定。AD8362的工作原理示意图如图3所示。G代表由A4所设定的VGA增益。USIG为VGA的输出电压，UATG为调幅电压，UTGT为UTGT引脚的输入电压。ISQU为平方律检波器输出的脉动电流，ITGT为温度补偿电流，A为求和点。A2的增益由内部电阻r1、r2来设定。 图3 AD8362的工作原理示意图
UO与PIN的关系曲线如图4所示。 图4 输出电压与被测射频功率的关系曲线
AD8362具有3种工作模式。 （1）做功率测量设备使用时，应将UOUT端与USET端相连，此时AD8362的输出电压就与输入功率有效值的对数成正比，读数为功率分贝值（dBm），输出电压的灵敏度为50mV/ dBm，即每dBm对应于50mV。 （2）选择控制模式时，USET端接设定点电压。A2兼有缓冲器和满电源电压范围输出（“轨对轨”）特性。 （3）将PWDN端接高电平时芯片进入休眠模式，功耗仅为1.3mW；PWDN端接低电平时，可在20μs时间内重新“唤醒”芯片。
AD8362的输入保护电路如图5所示。 图5 输入保护电路
3 单片真有效值功率测量系统的应用 （1）真有效值电平测量仪 由AD8362构成真有效值电平测量仪的电路如图6所示，AD8362的输出电压直接送给数字电压表（DVM）。但须注意，由于DVM的读数与被测电压有效值的对数成正比，因此它属于电压电平测量仪，显示单位是dBV。
（2）真有效值射频功率测量仪 由AD8362构成真有效值射频功率测量仪的电路如图7所示。PIC16F874是带8路逐次逼近式10位A/D转换器的单片机（现仅用其中一路）。 图7 真有效值射频功率测量仪的电路
输入端使用了耦合变压器（T），其阻抗比为1∶4（匝数比为1∶2），因此当信号输入端的系统阻抗为50Ω时，经过变压器变换到IN＋、IN—端的差分输入阻抗就是200Ω。AD8362的输出电压是以分贝来度量的，有公式输入端使用了耦合变压器（T），其阻抗比为1∶4（匝数比为1∶2），因此当信号输入端的系统阻抗为50Ω时，经过变压器变换到IN＋、IN—端的差分输入阻抗就是200Ω。AD8362的输出电压是以分贝来度量的，有公式 UO＝kS (PIN－PZ )（7） 式中，UO的变化范围为0.5V～3.5V，输出电压灵敏度kS＝50mV/dB。PIN为输入功率，当系统阻抗为50Ω时，它以dBm为单位，并且0dBm对应于1mW。PZ可理解为表达输出电压的线性方程式中功率的截距，它表示当输出电压过零时折算到输入端的功率值，若用有效值电压来表示，就对应于0.477mV（折合－67dBV），这是芯片出厂前在100MHz频率下用激光标定的结果。对应于200Ω阻抗，PZ＝－60dBm。考虑到这里所用变压器的匝数比为1∶2，即输入电压被二等分了，因此折算到变压器初级的有效值电压应为0.244mV，截距也就变为－73dBV。
（3）射频功率控制系统 由AD8362构成射频功率控制系统的电路如图8所示，此时第11脚接设定点电压USET，电压范围是0.5V～3.5V。受控系统为射频功率放大器（PA）。令PA的输入功率为PI，输出功率为PO，PO随加到控制端APC上的控制电压UO而改变。利用功率反馈电路可构成一个控制环路，使PA的输出功率等于设定值。PIN为反馈功率，R为反馈功率的取样电阻。 图8 射频功率控制系统的电路
随着现代通信技术的飞速发展，目前无线局域网（WLAN）LAN 802.11新标准所规定的上限频率已超过5GHz，远高于上限频率为2GHz的GSM、CDMA、W－CDMA等蜂窝基站的指标。这就对射频功率测量系统提出了更高的要求。 为此，ADI公司继AD8361和AD8362之后，2004年又推出了AD8318型1MHz～8GHz单片射频功率测量系统。它在测量精度、频率带宽、测量速率和温度稳定性等方面都取得了重大突破，能满足管理无线网络的技术条件。 AD8318 适用于测量基站、WLAN以及雷达设备中的功率电平，可大大降低昂贵的RF功率发送器的尺寸和成本。
谢谢大家！ 完 谢谢收看
