射頻功率測量技術及其應用

　　引言
　　
　　射頻功率計一般由功率傳感器（亦稱功率探頭）、功率檢測電路和顯示裝置組成。功率計分吸收式（又稱終端式）和通過式兩種，前者是以功率傳感器探頭作為被測系統的終端負載，由它吸收全部被測功率，zui后通過顯示器顯示出被測功率值。
　　
　　測量射頻功率有4種方法：
　　
　　①利用二極管檢測功率法；
　　
　　②等效熱功耗檢測法；
　　
　　③真有效值>直流（TRMS>DC）轉換檢測功率法；
　　
　　④對數放大檢測功率法。下面分別介紹這4種方法并對各自的優缺點加以比較，zui后闡述射頻功率測量系統的優化設計。
　　
　　1、利用二極管檢測功率法
　　
　　用二極管檢測輸入功率的電路如圖1所示　　
　　圖1（a）為簡單的半波整流、濾波電路，該電路的總輸入電阻為50Ω。VD為整流管，C為濾波電容。射頻輸入功率PIN經過整流濾波后得到輸出電壓UO.但當環境溫度升高或降低時UO會顯著降低。圖1（b）為經過改進后的二極管檢測輸入功率的電路，該電路增加了溫度補償二極管VD2，可對二極管VD1的整流電壓進行溫度補償。二極管具有負的溫度系數，當溫度升高時VD1的壓降會減小，但VD2的壓降也同樣地減小，zui終使輸出電壓仍保持恒定。補償后UO與PIN、誤差γ的特性曲線如圖2所示,圖2中給出了當環境溫度分別為+25℃、-40℃和+85℃時的誤差曲線。
　　
　　需要指出，二極管檢測電路是以平均值為響應的，它并不能直接測量輸入功率的有效值，而是根據正弦波有效值與平均值的關系來間接測量有效值功率。顯然，當被測波形不是正弦波時，波峰因數就不等于1.4142，此時會產生較大的測量誤差。　　
　　2、等效熱功耗檢測法
　　
　　等效熱功耗檢測法是基于有效值的第二種定義而提出來的，其檢測電路如圖3所示。它是把一個未知的交流信號的等效熱量和一個直流參考電壓的有效熱量進行比較。當信號電阻（R1）與參考電阻（R2）的溫度差為零時，這兩個電阻的功耗是相等的，因此未知信號電壓的有效值就等于直流參考電壓的有效值。R1、R2為匹配電阻，均采用低溫度系數的電阻，二者的電壓降分別為kUI、kUO.為了測量溫差，在R1、R2附近還分別接著有電壓輸出式溫度傳感器A、B，亦可選用兩支熱電偶來測量溫差。在R1和R2上還分別串聯了過熱保護電阻。　　
　　盡管等效熱功耗檢測法的原理非常簡單，但在實際應用中很難實現，并且這種檢測設備的價格非常昂貴。
　　
　　3、真有效值/直流（TRMS/DC）轉換檢測功率法
　　
　　真有效值E直流轉換檢測功率法的zui大優點是測量結果與被測信號的波形無關，這就是“真正有效值”的含義。因此，它能準確測量任意波形的真有效值功率。測量真有效值功率的*種方法是采用單片真有效值E直流轉換器（例如AD636型），首先測量出真有效值電壓電平，然后轉換成其真有效值功率電平。
　　
　　另一種測量真有效值功率的電路框圖如圖4所示，該電路所對應的典型產品為AD8361型單片射頻真有效值功率檢測系統集成電路。UI為射頻信號輸入端，UO為直流電壓輸出端。US端接+2.7V～+5.5V電源，COM為公共地。IREF為基準工作方式選擇端，PWDN為休眠模式控制端。FLTR為濾波器引出端，在該端與US端之間并聯一只電容器，可降低濾波器的截止頻率。SREF為電源基準控制端。　　
　　從UI端輸入的射頻有效值電壓為UI，經過平方器1產生一個與UI2成比例的脈動電流信號i，該電流信號通過由內部電阻R1和電容C構成的平方律檢波器獲得均方值電壓UI2，輸入到誤差放大器的同相輸入端。利用平方器2與誤差放大器可構成一個閉合的負反饋電路，將負反饋信號加到誤差放大器的反相輸入端進行溫度補償。當閉環電路達到穩定狀態時，輸出電壓UO（DC）就與輸入有效值功率PIN成正比。有關系式
　　
　　UO=kPIN（1）
　　
　　式中k為真有效值E直流轉換器的輸出電壓靈敏度，AD8361的k=7.5mV/dBm.這種檢測方法有以下優點：（1）由于兩個平方器*相同，因此在改變量程時不影響轉換精度；
　　
　　（2）當環境溫度發生變化時，兩個平方器能互相補償，使輸出電壓保持穩定；
　　
　　（3）所用平方器的頻帶非常寬，可從直流一直到微波頻段。
　　
　　4、對數放大檢測功率法
　　
　　對數放大檢測器是由多級對數放大器構成的，其電路框圖如圖5所示。　　
　　圖5中共有5個對數放大器（A～E），每個對數放大器的增益為20dB（即電壓放大系數為10倍），zui大輸出電壓被限制在1V.因此，對數放大器的斜率kS=1V/20dB=50mV/dB.5個對數放大器的輸出電壓分別經過檢波器送至求和器（Σ），再經過低通濾波器獲得輸出電壓UO.對數放大器能對輸入交流信號的包絡進行對數運算，其輸出電壓與kS、PIN的關系式為
　　
　　UO=kS（PIN-b）（2）
　　
　　式中b代表截距，即對應于輸出電壓為零時的輸入功率電平值。
　　
　　普通對數放大器的特性曲線僅適用于正弦波輸入信號。當輸入信號不是正弦波時，特性曲線上的截距會發生變化，從而影響到輸出電壓值。此時應對輸出讀數進行修正。需要指出，盡管ADI公司生產的AD8362型單片射頻真有效值功率檢測器也屬于對數檢測功率法，但它通過采用*的技術能適用于任何輸入信號波形，并且特性曲線上的截距不隨輸入信號而變化。
　　
　　5、射頻功率檢測系統的優化設計
　　
　　傳統的射頻功率計或射頻檢測系統的電路復雜，集成度很低。zui近，美國ADI公司相繼推出AD8361、AD8362和AD8318型全集成化的單片射頻真有效值功率檢測器，不僅能測量射頻（RF）功率，還可測量中頻（IF）、低頻（LF）功率。此外，美國凌特（LinearTechnology）公司也開發出LT5504、LTC5507型單片射頻功率檢測器。這類芯片的問世，為實現射頻及寬頻帶真有效值功率檢測系統的優化設計創造了條件。4種單片射頻功率檢測器的主要性能指標見表1.　　
　　由AD8318構成射頻功率控制器的電路如圖6所示。　　
　　控制對象可以是功率放大器（PA）、可變增益放大器（VGA）、可變電壓衰減器（VVA）等。選擇控制模式時，要將USET、UOUT引腳互相斷開。被測射頻功率信號通過定向耦合器、衰減器，加到AD8318的輸入端。AD8318的設定電壓取自數D模轉換器（DAC）。從AD8318的UOUT輸出的增益控制電壓，用來控制VGA（或VVA）的輸出功率。