有線或無(wú)線回波損耗的測(cè)量方法介紹

有線或無(wú)線發(fā)射器中的回波損耗是在向負(fù)載供電時(shí)傳輸功率與反射功率之比。它是描述傳輸效率的關(guān)鍵參數(shù)，可用作指示過(guò)量功率從負(fù)載反射回源。在天線回波損耗較差的無(wú)線發(fā)射器中，高水平的反射功率會(huì)損壞驅(qū)動(dòng)天線的功率放大器。

本文介紹了一種精確測(cè)量有線或無(wú)線回波損耗的新方法。無(wú)需任何系統(tǒng)校準(zhǔn)即可在寬頻率范圍（2 GHz至26 GHz）內(nèi)實(shí)時(shí)發(fā)射。

電路操作

圖1顯示了完整電路，其中回波損耗為在RF放大器和其負(fù)載之間測(cè)量;負(fù)載將是實(shí)際無(wú)線系統(tǒng)中的天線。使用寬頻定向耦合器檢測(cè)入射和反射功率，頻率范圍為2 GHz至26.5 GHz。

RF開(kāi)關(guān)用于交替連接到定向耦合和隔離端口耦合器。使用負(fù)邏輯CMOS控制電路周期性地切換RF開(kāi)關(guān)上的控制線。吸收式RF開(kāi)關(guān)用于確保定向耦合器的兩個(gè)端口始終以50Ω端接。從開(kāi)關(guān)輸出的耦合RF信號(hào)然后驅(qū)動(dòng)ADL6010的輸入，ADL6010是一個(gè)寬帶微波探測(cè)器，工作頻率范圍為500 MHz至43.5 GHz。

AD7091R 12位ADC采樣ADL6010 RF探測(cè)器的輸出速率為1 MSPS。這將檢測(cè)器的模擬輸出電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼。使用正向和反向代碼，可以在不需要系統(tǒng)校準(zhǔn)的情況下計(jì)算回波損耗。

無(wú)校準(zhǔn)回波損耗測(cè)量和計(jì)算

圖2顯示了ADL6010的傳遞函數(shù)集成微波二極管檢測(cè)器的直流輸出電壓與交流輸入電壓。該探測(cè)器具有45 dB的探測(cè)范圍，工作頻率范圍為500 MHz至43.5 GHz。

該器件具有所謂的線性V / V傳輸功能。這意味著當(dāng)輸入功率在45 dB線性工作區(qū)域（大約-30 dBm至+15 dBm或7.1 mV rms至1.3 V rms）內(nèi)時(shí)，直流輸出電壓與輸入交流電壓成正比。與傳統(tǒng)的基于肖特基二極管的探測(cè)器不同，沒(méi)有平方律操作區(qū)域。這導(dǎo)致傳遞函數(shù)可以使用簡(jiǎn)單的線性方程建模：

其中m是V / V的斜率，b是y軸截距。

用dBm的功率重寫(xiě)這個(gè)等式，我們get：

其中R是系統(tǒng)阻抗，通常為50Ω。

功率檢測(cè)器的輸出響應(yīng)溫度會(huì)有所不同，頻率，從設(shè)備到設(shè)備。因此，前一個(gè)等式中m和b的值會(huì)有所不同，通常必須使用校準(zhǔn)來(lái)確定。

要使用輸出電壓反向計(jì)算檢測(cè)器的輸入功率，需要在每個(gè)頻率和每個(gè)頻率上進(jìn)行校準(zhǔn)。每個(gè)設(shè)備。但是，在圖1所示的電路中，我們只是試圖測(cè)量回波損耗。由于正向和反向功率由同一探測(cè)器測(cè)量，因此可以證明回波損耗可以使用以下公式計(jì)算：

其中V F 和V R 是RF開(kāi)關(guān)連接定向耦合器時(shí)來(lái)自探測(cè)器的測(cè)量輸出電壓分別對(duì)定向耦合器的正向和反向耦合端口。當(dāng)y截距（b）接近于零時(shí)，這個(gè)方程成立，這就是這個(gè)特定探測(cè)器的情況（見(jiàn)圖2）。

這個(gè)方程很重要，因?yàn)閙和b項(xiàng)是沒(méi)有的更長(zhǎng)的禮物。這意味著無(wú)需任何系統(tǒng)校準(zhǔn)即可測(cè)量精確的回波損耗。

實(shí)際上，圖1中ADC的代碼用于執(zhí)行計(jì)算。所以最終的等式變?yōu)椋?/p>

同樣，由于ADC的y軸截距接近0，我們不需要對(duì)ADC進(jìn)行任何校準(zhǔn)測(cè)量精確的回波損耗。

反射系數(shù)更容易計(jì)算，因?yàn)閷?duì)log（x）計(jì)算的要求消失了。這產(chǎn)生了等式：

可以使用以下公式計(jì)算VSWR：

測(cè)試結(jié)果

圖3顯示了當(dāng)存在20 dB的回波損耗時(shí)，在2 GHz時(shí)測(cè)量的回波損耗與輸入功率之比。

模擬具有20 dB回波損耗的天線，帶有9 dB衰減器開(kāi)路輸出連接到定向耦合器的輸出。理想情況下，這應(yīng)該導(dǎo)致18 dB的回波損耗。然而，當(dāng)考慮到電纜損耗，連接和耦合器插入損耗的影響時(shí)，該測(cè)試負(fù)載的真實(shí)回波損耗確定為大約20 dB。

從圖3中的圖表中，我們請(qǐng)注意，對(duì)于0 dBm至+25 dBm的輸入功率，測(cè)得的回波損耗保持接近20 dB。在這些水平之上和之下，測(cè)量的回波損耗顯著降低。在高端（這是由于探測(cè)器輸入的功率超過(guò)其飽和點(diǎn)+15 dBm），由于耦合系數(shù)和插入，通過(guò)定向耦合器的+27 dBm功率在RF探測(cè)器處顯示為+15 dBm開(kāi)關(guān)丟失。

在低端（輸入功率低于0 dBm），誤差是由探測(cè)器的靈敏度引起的。 0 dBm輸入功率從負(fù)載反射回-20 dBm。該電平通過(guò)耦合器和RF開(kāi)關(guān)下降約12 dB，到達(dá)檢測(cè)器時(shí)的功率電平約為-32 dBm，低于ADL6010探測(cè)器的輸入靈敏度。

選擇定向耦合器

每個(gè)定向耦合器都有一個(gè)耦合和一個(gè)隔離端口，如圖4所示。正向耦合信號(hào)出現(xiàn)在耦合輸出上，而負(fù)載反射的信號(hào)耦合到隔離的港口。在大多數(shù)定向耦合器上，隔離端口采用永久性，不可拆卸的50Ω端接端接。對(duì)于這種應(yīng)用，選擇Marki Microwave C10-0226有很多原因。該器件具有寬泛的工作頻率范圍（2 GHz至26 GHz），覆蓋了ADL6010探測(cè)器范圍的重要部分。在此范圍內(nèi)，它具有20 dB或更高的輸入回波損耗和方向性。為了測(cè)量負(fù)載上20 dB的回波損耗，耦合器本身的方向性和輸入回波損耗必須至少超過(guò)此數(shù)值。

C10-2226上的隔離端口耦合器沒(méi)有固定終端。相反，用戶可以連接50ΩSMA負(fù)載以進(jìn)行正常操作。但是，在這種情況下，我們利用此功能并使用隔離端口來(lái)測(cè)量反向功率。因此，我們有效地使用一個(gè)能夠檢測(cè)入射和反射功率的器件。

耦合器的耦合系數(shù)為10 dB。耦合因子對(duì)電路級(jí)規(guī)劃有重大影響，如圖5所示。為了優(yōu)化電路的檢測(cè)范圍，天線端口的最大功率應(yīng)映射到檢測(cè)器的最大輸入功率。因此，在此示例中，10 dB耦合系數(shù)（以及RF開(kāi)關(guān)的2 dB插入損耗）和檢測(cè)器的最大輸入功率+15 dBm將天線端口的最大功率設(shè)置為+27 dBm。如果需要更高的輸出功率，則可以使用具有更高耦合系數(shù)的定向耦合器。這將具有略低的耦合器插入損耗的優(yōu)點(diǎn)?；蛘?，可以在開(kāi)關(guān)的輸出和檢測(cè)器的輸入之間插入額外的衰減。

在實(shí)際電路中，表面貼裝定向耦合器可能是優(yōu)選的。這些器件往往具有與此處使用的連接器耦合器類(lèi)似的插入損耗。但是它們的帶寬，方向性和隔離度往往不會(huì)那么好。

RF開(kāi)關(guān)選擇注意事項(xiàng)

此應(yīng)用中使用了HMC547LC3開(kāi)關(guān)。這是一款單刀雙擲非反射開(kāi)關(guān)，輸入頻率范圍為直流至28 GHz，高速開(kāi)關(guān)時(shí)間為6 ns。

此開(kāi)關(guān)的非反射特性對(duì)正確無(wú)關(guān)整個(gè)電路的操作。如果沒(méi)有連接時(shí)開(kāi)關(guān)在其輸入端出現(xiàn)的50Ω負(fù)載，則定向耦合器將無(wú)法正確端接。

此應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)的插入損耗并不重要。開(kāi)關(guān)的插入損耗有效地增加了定向耦合器的耦合系數(shù)。此外，由于正向和反向功率通過(guò)相同的路徑，因此溫度和頻率的任何變化都會(huì)抵消。該開(kāi)關(guān)與耦合器一起將電路的操作限制在最大28 GHz。要將電路工作在ADL6010探測(cè)器的最大輸入頻率，必須使用更高頻率的開(kāi)關(guān)。

ADC選擇注意事項(xiàng)

AD7091R是一款12位逐次逼近型寄存器SAR ADC。這是一款低功耗ADC，典型值為349μA，吞吐速率高達(dá)1 MSPS?？梢允褂幂^低的吞吐速率，從而降低功耗。

選擇此ADC主要是因?yàn)樗哂凶銐虻姆直媛?，可以在整個(gè)輸入范圍內(nèi)檢測(cè)ADL6010檢波器的輸出電壓。檢波器的所謂線性V / V傳遞函數(shù)（如圖2所示）意味著增量輸出斜率（V / dB）隨輸入功率而降低。因此，選擇12位ADC，即使輸入功率位于探測(cè)器輸入范圍的底端，也可以解決小于1 dB的輸入功率變化。

在實(shí)際實(shí)施中該電路中，ADC的每個(gè)數(shù)字代碼都通過(guò)3線SPI接口傳輸?shù)絇C。然后PC上的軟件程序計(jì)算并顯示回波損耗。

測(cè)量正向和反向耦合信號(hào)所需的時(shí)間，計(jì)算回波損耗大約為1.4 ms-500，收集500個(gè)反向采樣在每個(gè)周期。大量樣本提供平均值，這在信號(hào)具有快速變化包絡(luò)的應(yīng)用中是必需的。此外，在檢測(cè)器的輸出和ADC的輸入之間放置了一些低通濾波（一個(gè)簡(jiǎn)單的R到C電路，沒(méi)有任何緩沖），以提供額外的平均值。

軟件程序大約需要400μs，用于執(zhí)行正向和反向采樣之間的切換操作。這導(dǎo)致1.4 ms的更新速率。

在更快的切換可用的情況下也可以使用替代采樣方案（前一示例中的切換速率受控制軟件的限制，而不受交換機(jī)本身的限制） 。

射頻功率測(cè)量

到目前為止，重點(diǎn)是測(cè)量回波損耗而無(wú)需任何校準(zhǔn)。通過(guò)添加簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)程序，該電路還可用于精確測(cè)量傳輸功率。圖6顯示了輸入功率在2 GHz時(shí)掃描的位置，并使用ADC代碼以及在校準(zhǔn)期間獲取的m和b值計(jì)算功率。

結(jié)論

所描述的電路為測(cè)量精確回波損耗提供了方便的解決方案，其中執(zhí)行校準(zhǔn)是不可能的或不合需要的。它的絕對(duì)功率檢測(cè)范圍為45 dB。這允許在25 dB的RF功率范圍內(nèi)測(cè)量高達(dá)20 dB的回波損耗。絕對(duì)功率范圍可以從0 dBm到+25 dBm的最小范圍向上擴(kuò)展。

雖然所使用的RF檢測(cè)器的輸入頻率范圍為500 MHz至43.5 GHz，但電路的頻率范圍通常會(huì)受到所使用的RF開(kāi)關(guān)或定向耦合器的限制，特別是在使用表面貼裝耦合器時(shí)。

所描述的電路已在單個(gè)PCB上實(shí)現(xiàn)（定向耦合器除外）它可在ADI公司獲得。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com/CN0387。