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射頻功率測(cè)量電路設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2011-12-28 來(lái)源:ADI

中心議題:
  • 射頻功率測(cè)量電路設(shè)計(jì)
  • 射頻功率測(cè)量原理
解決方案:
  • 射頻功率測(cè)量硬件電路設(shè)計(jì)

近年來(lái),隨著3G技術(shù)的快速發(fā)展,在進(jìn)行通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),射頻功率的控制和測(cè)量十分重要。本文以美國(guó)ADI公司的AD8318單片射頻功率測(cè)量芯片為核心,設(shè)計(jì)了基于對(duì)數(shù)放大器檢測(cè)方法的射頻功率測(cè)量電路,該方法具有動(dòng)態(tài)范圍大,頻率范圍廣,精度高和溫度穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

1 測(cè)量原理

射頻功率測(cè)量方法有多種多樣,其中對(duì)數(shù)放大器檢測(cè)法是射頻測(cè)量的主要方向之一,下面從對(duì)數(shù)放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,研究對(duì)數(shù)放大檢測(cè)器如何檢測(cè)射頻信號(hào)。

射頻信號(hào)檢測(cè)的實(shí)質(zhì)是如何實(shí)現(xiàn)將功率信號(hào)無(wú)失真地轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),而這個(gè)轉(zhuǎn)換工作則由對(duì)數(shù)放大檢測(cè)器來(lái)完成,因此,對(duì)數(shù)放大檢測(cè)器是射頻測(cè)量的關(guān)鍵。它的核心是對(duì)數(shù)放大器,對(duì)數(shù)放大器之間采用直接耦合方式,分成N級(jí),每級(jí)由對(duì)數(shù)放大器和檢波器組成。每級(jí)的輸出送到求和器,由求和輸出經(jīng)低通濾波器后得到一個(gè)電壓信號(hào)。N一般取值為5~9級(jí),級(jí)數(shù)越多,單級(jí)增益越小,則輸出特性曲線越趨向于線性,這里以5級(jí)為例進(jìn)行分析,具體電路如圖1所示。

該對(duì)數(shù)放大檢測(cè)器的傳遞函數(shù)為:
U0=Ks(Pin-b) (1)

式中:b為截距;Ks為對(duì)數(shù)檢測(cè)器的斜率,是一個(gè)常數(shù);Pin是輸入信號(hào)的功率。在一定的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi),可通過(guò)Matlab仿真軟件得到對(duì)數(shù)放大器的特性曲線,如圖2所示。

從圖2可知,線性動(dòng)態(tài)范圍約為-3~67 dBm,在此范圍內(nèi),輸出電壓與輸入功率之間呈線性關(guān)系。圖2的橫坐標(biāo)是輸入信號(hào)的功率,縱坐標(biāo)為輸出電壓和誤差值。在坐標(biāo)系上作圖可知,該特性曲線的斜率約為18 mV/dB,截距約為93 dBm,已知輸入信號(hào)的情況下,可根據(jù)式(1)得到輸出電壓的大小。

若輸入信號(hào)為-30 dBm時(shí):
U0=18×[-30-(-93)]=1.134V (2)

若斜率改變,則截距也會(huì)發(fā)生變化,在同樣的輸入的情況下,輸出大小不同。
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上述情況僅適用于900 MHz~8 GHz的正弦波輸入信號(hào),而通信系統(tǒng)中,還有其他的波形,如果測(cè)量其他的波形的功率,則可根據(jù)不同波形的修正C值來(lái)進(jìn)行修正,因波形不同修正值也不相同,表1為不同的信號(hào)波形的修正值。


非正弦波形的輸出電壓計(jì)算公式:
U0=Ks(Pin-b)+C (3)

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 AD8318的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

AD8318是解調(diào)對(duì)數(shù)放大器,將RF輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的輸出電壓;它采用了9級(jí)對(duì)數(shù)放大,每一個(gè)階段,都配備了檢測(cè)器。主要可用于測(cè)量和控制器;當(dāng)輸入范圍通常為60 dB,誤差小于±1 dB;+5 V單電源供電,電流為68 mA。AD8318的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2 電路圖及工作原理
由AD8318構(gòu)成的射頻功率測(cè)量電路如圖4所示。該電路可通過(guò)對(duì)AD8318設(shè)置,使其工作在測(cè)量模式時(shí),當(dāng)輸入的正弦信號(hào)為RFIN,經(jīng)過(guò)電容C1,C2耦合到AD8318的INHI、INLO兩端。然后通過(guò)9級(jí)對(duì)數(shù)放大檢波后,送到求和器,求和得到一個(gè)電流信號(hào),再將該信號(hào)進(jìn)行I-V轉(zhuǎn)換輸出VOUT,該設(shè)計(jì)沒(méi)有單獨(dú)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,而是由AD8318的輸出直接到單片機(jī)的PA0,由于PIC16F874單片機(jī)內(nèi)部有自帶A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),然后送到單片機(jī)進(jìn)行處理。

若輸入模擬信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍大,A/D轉(zhuǎn)換的精度要求高,則A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率要求也高,可通過(guò)PIC16F874內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn),它將AD8318的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后,經(jīng)單片機(jī)程序進(jìn)行計(jì)數(shù)、查表,顯示等處理。圖5為單片機(jī)的程序流程圖。

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PIC16F874單片機(jī)將處理后的數(shù)字信號(hào)從PA1~PA4輸出,經(jīng)ULN2003反相驅(qū)動(dòng)給LED提供位選信號(hào)及足夠的驅(qū)動(dòng),而段選信號(hào)從RB0~RB7經(jīng)過(guò)8×10 kΩ的排阻,送到LED,在LED數(shù)碼中將被測(cè)的射頻信號(hào)的功率大小顯示出來(lái),測(cè)量結(jié)果如表2所示。

從表2的數(shù)據(jù)可知,通過(guò)AD8318對(duì)數(shù)放大檢測(cè)集成電路的轉(zhuǎn)換,再經(jīng)過(guò)單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理,所測(cè)得射頻信號(hào)的功率滿足動(dòng)態(tài)范圍大,頻帶寬度和線性度好的特點(diǎn)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)射頻功率信號(hào)的測(cè)量理論分析,利用AD8318將射頻功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),然后經(jīng)過(guò)PIC16F874單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)、查表,由4位LED數(shù)碼顯示出來(lái),實(shí)現(xiàn)了大動(dòng)態(tài)范圍、高精度的射頻功率測(cè)量。
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