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射頻功率測量電路設計

發(fā)布時間:2011-12-28 來源:ADI

中心議題:
  • 射頻功率測量電路設計
  • 射頻功率測量原理
解決方案:
  • 射頻功率測量硬件電路設計

近年來,隨著3G技術的快速發(fā)展,在進行通信系統(tǒng)設計時,射頻功率的控制和測量十分重要。本文以美國ADI公司的AD8318單片射頻功率測量芯片為核心,設計了基于對數(shù)放大器檢測方法的射頻功率測量電路,該方法具有動態(tài)范圍大,頻率范圍廣,精度高和溫度穩(wěn)定性好的特點。

1 測量原理

射頻功率測量方法有多種多樣,其中對數(shù)放大器檢測法是射頻測量的主要方向之一,下面從對數(shù)放大器內(nèi)部結(jié)構進行分析,研究對數(shù)放大檢測器如何檢測射頻信號。

射頻信號檢測的實質(zhì)是如何實現(xiàn)將功率信號無失真地轉(zhuǎn)換成電壓信號,而這個轉(zhuǎn)換工作則由對數(shù)放大檢測器來完成,因此,對數(shù)放大檢測器是射頻測量的關鍵。它的核心是對數(shù)放大器,對數(shù)放大器之間采用直接耦合方式,分成N級,每級由對數(shù)放大器和檢波器組成。每級的輸出送到求和器,由求和輸出經(jīng)低通濾波器后得到一個電壓信號。N一般取值為5~9級,級數(shù)越多,單級增益越小,則輸出特性曲線越趨向于線性,這里以5級為例進行分析,具體電路如圖1所示。

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

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

從圖2可知,線性動態(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系。圖2的橫坐標是輸入信號的功率,縱坐標為輸出電壓和誤差值。在坐標系上作圖可知,該特性曲線的斜率約為18 mV/dB,截距約為93 dBm,已知輸入信號的情況下,可根據(jù)式(1)得到輸出電壓的大小。

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

若斜率改變,則截距也會發(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,而通信系統(tǒng)中,還有其他的波形,如果測量其他的波形的功率,則可根據(jù)不同波形的修正C值來進行修正,因波形不同修正值也不相同,表1為不同的信號波形的修正值。


非正弦波形的輸出電壓計算公式:
U0=Ks(Pin-b)+C (3)

2 硬件電路的設計

2.1 AD8318的結(jié)構特點和內(nèi)部結(jié)構圖

AD8318是解調(diào)對數(shù)放大器,將RF輸入信號轉(zhuǎn)換為對應的輸出電壓;它采用了9級對數(shù)放大,每一個階段,都配備了檢測器。主要可用于測量和控制器;當輸入范圍通常為60 dB,誤差小于±1 dB;+5 V單電源供電,電流為68 mA。AD8318的結(jié)構圖如圖3所示。

2.2 電路圖及工作原理
由AD8318構成的射頻功率測量電路如圖4所示。該電路可通過對AD8318設置,使其工作在測量模式時,當輸入的正弦信號為RFIN,經(jīng)過電容C1,C2耦合到AD8318的INHI、INLO兩端。然后通過9級對數(shù)放大檢波后,送到求和器,求和得到一個電流信號,再將該信號進行I-V轉(zhuǎn)換輸出VOUT,該設計沒有單獨的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,而是由AD8318的輸出直接到單片機的PA0,由于PIC16F874單片機內(nèi)部有自帶A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,然后送到單片機進行處理。

若輸入模擬信號的動態(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PIC16F874內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn),它將AD8318的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后,經(jīng)單片機程序進行計數(shù)、查表,顯示等處理。圖5為單片機的程序流程圖。

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

從表2的數(shù)據(jù)可知,通過AD8318對數(shù)放大檢測集成電路的轉(zhuǎn)換,再經(jīng)過單片機的數(shù)據(jù)處理,所測得射頻信號的功率滿足動態(tài)范圍大,頻帶寬度和線性度好的特點。

3 結(jié)論

通過對射頻功率信號的測量理論分析,利用AD8318將射頻功率信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,然后經(jīng)過PIC16F874單片機進行計數(shù)、查表,由4位LED數(shù)碼顯示出來,實現(xiàn)了大動態(tài)范圍、高精度的射頻功率測量。
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