基于LT5581 RMS射頻檢測器解決射頻功率檢測的問題挑戰(zhàn)

作為一個例子，不同的RF應用具有不同的功率檢測要求和優(yōu)先級，并且無線通信鏈路的目標與雷達系統(tǒng)的目標非常不同。需要檢測相對功率水平的RF系統(tǒng)用戶可以選擇三種主要類型的檢測器IC，通常稱為RMS，日志和峰值類型。這些不同的探測器提供響應時間，峰值與RMS值的靈敏度，動態(tài)范圍和精度的不同組合，引用一些關鍵規(guī)范。每種類型都使用非常不同的內部電路設計和IC工藝。

今天的射頻集成電路可以提供并超越幾年前實現(xiàn)的難度和成本高的性能，以及功耗更低的小型封裝。結果，許多不使用RF功率檢測或僅采用近似方法的應用現(xiàn)在能夠受益于更復雜和準確的技術。在通常的產品反饋環(huán)路中，改進的組件可以驅動更好的系統(tǒng)，從而推動對更好的組件的需求，當今的系統(tǒng)需要更高級別的檢測器功能，以實現(xiàn)高性能，低成本，低功耗和小型化足跡。

大多數(shù)RF設備必須監(jiān)控并控制其RF功率輸出，以符合政府法規(guī)，最大限度地減少RF干擾，并最大限度地降低功耗。發(fā)送器也出于以下原因這樣做：1）最小化發(fā)射功率以增加運行時間; 2）最小化功耗。

對于接收信號路徑，RF功率檢測也是一項關鍵功能。需要監(jiān)視接收的RF功率以調整增益，其中RSSI（接收信號強度指示器）用于通過AGC（自動增益控制）電路控制RF/IF信號鏈的增益，以保持恒定，優(yōu)化的信號電平，用于后續(xù)的模數(shù)轉換（如果有的話）和解調。 RSSI信號還用于控制發(fā)送信道，以便最小化發(fā)送功率，同時還保持可接受的最小BER（誤碼率）。由于這些原因，精確的RF功率檢測在接收器和發(fā)射器中都很重要。

請注意，此RF功率檢測與RF功率測量不同，盡管術語中存在一些混淆，模糊和重疊。 RF功率檢測通常用于指代由電子電路內的電壓（和電流）表示的RF功率的測量（通常作為相對值）;相反，RF功率測量是直接測量空間或空中RF無線信號的功率（通常作為絕對值）。

對于前一種情況，電路中使用了各種IC和模塊;對于后者，專用傳感器（通?；跓犭娕迹r截撞擊的RF能量，然后將其熱能轉換為對應于RF功率的電壓。 [回想一下，功率和能量是密切相關的參數(shù)：能量是功率的時間積分，而功率是能量的時間導數(shù)，即能量接收或來源的速率。

有三個用于解決RF功率檢測問題的架構，它們通常用RF IC實現(xiàn)（盡管在某些特殊情況下，必須采用模塊或混合技術）：均方根（RMS），對數(shù)（log）和肖特基峰（也稱為信封）。當然，每個都涉及不同的內部電路。從用戶角度來看，每個都具有性能屬性，使其成為特定頻率范圍，響應時間和信號形狀以及成本和功耗問題的更好解決方案。無論何種類型，所有RF功率檢測器都有詳細的數(shù)據(jù)表，其中包含大量圖表，詳細說明了關鍵參數(shù)的各種變化的性能。

RMS功率檢測

RMS功率檢測器產生的直流電壓與均方根（RMS）輸入功率的對數(shù)成線性比例，直接縮放為mV/dB 。這些探測器具有高線性度，在40 dB范圍內通常優(yōu)于±1 dB，并且可以在GHz范圍內工作。精心設計的RMS測量IC可以提供精確的RF功率讀數(shù)，在±0.2 dB范圍內，即使波形內容具有高波峰因數(shù)（信號的峰值與RMS值之比）。

這使得這些探測器非常適合在測量擴頻CDMA/W-CDMA，OFDM，WiMax和高階QAM調制系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的復雜波形時評估射頻功率的挑戰(zhàn)，這些系統(tǒng)的波峰因數(shù)可以為10到10 15分貝。這種波形存在于LTE，3G，4G和5G無線設備中，主要是智能手機，特別是蜂窩基站（其要求比手機本身要求更高）。

具有代表性的RMS探測器是凌力爾特公司的LT5581，工作頻率范圍為10 MHz至6 GHz，動態(tài)范圍為40 dB，適用于GSM/EDGE，CDMA，CDMA2000，W-CDMA，TD-SCDMA，UMTS，LTE和WiMAX等無線標準等等。它以線性標度輸出與RF輸入信號功率成比例的線性標度，單位為dBm。 RMS探測器采用專有技術精確測量-34 dBm至+6 dBm（2.14 GHz）調制信號的RF功率，波峰因數(shù)高達12 dB。

圖1顯示LT5581在整個工作范圍內用作功率放大器電平控制，使用定向耦合器作為功率傳感器。由于它所監(jiān)測的波形類型將具有不同的波峰因數(shù)，因此供應商提供了一個圖表，顯示了不同功率水平下的波峰誤差（圖2）。

圖1：LT5581 RMS射頻檢測器可用于評估10 MHz至6 GHz的RF PA功率，此處使用PA輸出和天線輸入之間的定向耦合器進行顯示。

圖2：由于LT5581用于多種信號類型，并且性能取決于被監(jiān)測信號的波峰因數(shù)，因此數(shù)據(jù)表顯示其與各種信號的線性關系格式功率檢測

對數(shù)放大器檢測器（有時稱為連續(xù)檢測對數(shù)視頻放大器）提供的直流輸出電壓與其對數(shù)線性成比例輸入功率;他們沒有回應RMS值。它們非常適合測量寬動態(tài)范圍的信號，從DC到微波頻率，最高可達100 dB。它們具有非常高的靈敏度，因此非常適合極低的信號電平。精度在±0.2 dB范圍內，與RSSI和TSSI（發(fā)射信號強度指示器）功能的需求兼容。對于脈沖RF信號，日志類型可能是一個很好的選擇，因為它的響應時間很快（大約為nsec）。

對數(shù)探測器解決了確定電路增益的另一個問題。這通常需要將輸出功率讀數(shù)除以輸入讀數(shù)。這樣做對于高速模擬電路來說是足夠困難的操作，但由于信號頻率的原因，通過數(shù)值計算處理是完全不切實際的。輸入和輸出必須都被數(shù)字化，然后使用極高的計算工作量;即使技術上可行，也會造成成本高昂并消耗相當大的功率。然而，當使用兩個對數(shù)檢測器時，可以通過從輸出讀數(shù)中減去輸入信號讀數(shù)來測量電路的功率增益，這可以使用簡單的模擬減法電路來完成。

此類功率檢測器的一個例子是德州儀器（TI）的LMV225（圖3），旨在用于450 MHz至2 GHz的CDMA和WCDMA應用。其輸出是精確的溫度和電源補償電壓，與輸入功率線性相關，以dBm為單位，在30 dB動態(tài)范圍內。在典型應用中，它用于PA功率控制（圖4）。典型的RF功率檢測器，數(shù)據(jù)表包括許多基本性能曲線以及顯示由于參數(shù)變化引起的行為的圖表（圖5）。

圖3：LMV225對數(shù)檢波器由三個10 dB級組成，總范圍為30 dB。

圖4：LMV225的一個常見應用是通過一個小RC來測量發(fā)射鏈功率放大器的相對輸出阻抗匹配網(wǎng)絡。

圖5：LMV225輸出電壓和對數(shù)性能與2 GHz射頻輸入功率的關系曲線顯示了射頻檢測器特性的復雜性。

峰值檢測

RF肖特基峰值（包絡）檢測器將基于肖特基二極管和緩沖放大器的溫度補償峰值檢測器組合在一個小型封裝中。這是經(jīng)典模擬峰值檢測器的高頻RF實施例，原理上是一個簡單的電路，它只需要一個二極管，緩沖放大器和小值保持電容來跟蹤信號的“包絡”，從而提供輸出這是該信封的峰值。

在RF優(yōu)化版本中，使用片內肖特基二極管檢測輸入電壓峰值，以實現(xiàn)最低壓降和最快響應;檢測到的電壓被緩沖并出現(xiàn)在放大器輸出端。該探測器非常適用于雷達等應用，其中接收信號的形狀不如其峰值重要，后者提供諸如目標類型和雷達截面等信息。通常還選擇它來解決TSSI/RSSI電路，功率放大器（PA）線性化和寬帶功率監(jiān)測中的問題。

峰值檢測器具有非常快的響應，這也很重要，因為許多雷達信號（以及它們的返回回波）發(fā)送非常短的脈沖以最小化信號“陰影周期”，在此期間接收的回波被發(fā)送脈沖遮蔽。主要應用包括電子戰(zhàn)，智能和對策，以及寬帶測試和測量。

Maxim MAX2204是一款峰值檢波器，工作頻率范圍為450 MHz至2.5 GHz（圖6），具有輸出電壓隨著輸入功率的增加，在-16 dBm至+5 dBm的檢測范圍內單調增加。小型SC-70 5引腳IC可補償溫度和工藝偏移，在全輸入功率下輸出變化小于±0.5 dB，在較低功率時小于±1.5 dB。它還具有幾百微秒的響應時間（圖7），與無線和蜂窩應用相當（請注意，高性能雷達系統(tǒng)的峰值檢測器的響應時間要快幾個數(shù)量級，但具有更高的功耗和成本）。

圖6：Maxim MAX2204 RMS功率檢測器的檢測范圍為-16 dBm至+5 dBm。

圖7：MAX2204的響應時間與采用450 MHz至2.5 GHz標準的無線設備的需求完全匹配范圍。

無論選擇哪種射頻功率檢測器，溫度性能始終是一個重要的考慮因素，原因有二。首先，它們使用諸如二極管之類的模擬組件，其具有固有溫度系數(shù)（溫度系數(shù)）并因此伴隨溫度的相關漂移。其次，許多RF功率檢測器用于苛刻的應用，例如軍事和航空航天設計，其中極低溫和高溫是不可避免的。

RF功率檢測器的供應商通過結合使用包括電路元件的激光微調和巧妙的電路拓撲結構的技術來最小化溫度系數(shù)效應，其中一些漂移相關的誤差相互抵消。但是，這些探測器的用戶不僅應該考慮基本的性能規(guī)格，例如標稱溫度下的精度，還要考慮相關極端溫度下的規(guī)定性能。