射频真有效值功率量技术

别为KUI、KUO。为了测量温差，在R1、R2附近还分 别接着电压输出式温度传感器A、B，亦可选用两支
热电偶来测量温差。
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
18
无以成江海 友友情分享
等效热功耗检测法的检测电路如图7所示。其原理 非常简单，但在实际应用中很难实现，并且这种检 测设备的价格非常昂贵。
图7 等效热功耗检测法的电路
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
12
无以成江海 友友情分享
1. 用二极管检测功率法 用二极管检测输入功率的电路如图3所示，这是一个简单的 半波整流、滤波电路，该电路的总输入电阻为50Ω。VD为整流 管，C为滤波电容。射频输入功率PIN经过整流滤波后得到输出 电压UO。
图3 用二极管检测输入功率的电路
（6）采用＋5V单电源供电。
（5）
式中的 k为真有效值／直流转换器的输出电压灵敏度，
AD8361的k＝7.5mV/dBm。 这种检测方法有以下优点：第一，由于两个平方器
完全相同，因此在改变量程时不影响转换精度；第二，
当环境温度发生变化时，两个平方器能互相补偿，使
输出电压保持稳定；第三，所用平方器的频带非常宽，
可从直流一直到微波频段。
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
13
无以成江海 友友情分享
在不同环境温度下UO与PIN的关系曲线如图4所示。 由图可见，仅在环境温度为＋25℃下UO与PIN近似呈 线性关系，当环境温度升高或降低时UO会显著降低。
图4 在不同温度不下积蹞输步，出无电以致压千里和；不输积入小流功， 率的关系曲线 14
射频真有效值功率 测量技术
河北科技大学 电子信息工程系
数字化测量技术省级精品课
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
1
无以成江海 友友情分享
射频真有效值功率测量技术
• 0 引言 • 1 射频功率测量技术 • 2 单片真有效值功率测量系统的原理 • 3 单片真有效值功率测量系统的应用 • 4 结语
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
dBm＝dBV＋13dB
（4）
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
10
无以成江海 友友情分享
图2 真有效值功率与电压、电平的转换关系
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
11
无以成江海 友友情分享
1.1.3 功率测量技术
测量功率有4种方法： ①用二极管检测功率法； ②等效热功耗检测法； ③真有效值／直流（TRMS/DC）转换检测 功率法； ④对数放大检测功率法。 下面分别介绍这4种方法并对各自的优缺点 加以比较。
R)
/1mW］
（2）
这里的0dBm相当于1mW，＋10dBm相当于10mW，＋30dBm相当于 1W，依此类推。
dBV表示电压电平，它是以在1Ω负载上1mV的电压作为零电压电
平（0dBV）。有公式
U(dBV)＝20lg (URMS /1V)
（3）
这里的0dBV相当于1V（有效值）。
在阻抗为50Ω 的系统中，dBV与dBm的换算关系为
电阻。由于现代通信系统具有恒定的负载和阻抗源（通常
为50Ω），因此只需知道有效值电压就能计算出功率，即可
将功率测量转化为对有效值电压的测量。
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
8
无以成江海 友友情分享
有效值电压的另一种定义为，在相同负 载中与直流电压产生相同热量的交流电压 的有效值，例如有效值为1V的交流信号与 1V直流电压在同一电阻上所产生的热量是 相同的。
部被测功率，最后通过显示器显示出被测功率值。
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
3
无以成江海 友友情分享
传统的射频功率计或射频检测系统的 电路复杂，集成度很低。最近，美国ADI 公 司 相 继 推 出 AD8361 、 AD8362 、 AD8318型全集成化的单片射频真有效值 功率测量系统，不仅能精确测量射频（RF） 功率，还可测量中频（IF）、低频（LF） 功率。
图10 经不过积蹞自步，动无以补致千偿里；后不积的小流特， 性曲线
24
无以成江海 友友情分享
4. 对数放大检测功率法 对数放大检测器是由多级对数放大器构成的，其电路框 图如图11所示。
图11 对数放大检测器的电路框图
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
25
无以成江海 友友情分享
对数放大器能对输入交流信号的包络进行
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
9
无以成江海 友友情分享
2. UP-P、URMS、dBm、dBV、mW的转换关系
在通信系统中，功率电平用dBm表示。功率电平是以1mW的功率
作为零功率电平（0dBm）。因此，被测功率电平可表示成
P［dBm］＝10lg［P(mW
)
/
1mW］＝10lg
［(U
2 RMS
/
对数运算，其输出电压与kS、PIN的关系式为
UO＝kS (PIN－b)
（6）
式中的b代表截距，即对应于输出电压为零
时的输入功率电平值。
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
26
无以成江海 友友情分享
对数放大器的特性曲线如图12所示。由图可见，对应于 ±1dB的测量误差，输入功率电平的动态范围是－65dB～－5 dB。 对数放大检测法的优点是动态范围宽并且斜率恒定。
表7.1 不同输入波形的修正值
典型信号
修正值
备注
正弦波信号
0dB
方波或直流信号
－3.01dB
三角波信号 GSM信号 CDMA信号（正向连接）
＋0.9dB ＋0.55dB ＋3.55dB
应将修正值与输出功率电平 值相加
CDMA信号（反向连接）
＋0.5dB
PDC信号
＋0.58dB
高斯噪声
不积蹞步，＋无2.以51致dB千里；不积小流，
17
无以成江海 友友情分享
2. 等效热功耗检测法
等效热功耗检测法是基于有效值的第二种定义而
提出来的。它是把一个未知的交流信号的等效热量
和一个直流参考电压的有效热量进行比较。当信号
电阻（R1）与参考电阻（R2）的温度差为零时，这 两个电阻的功耗是相等的，因此未知信号电压的有
效值就等于直流参考电压的有效值。R1、R2为匹配 电阻，均采用低温度系数的电阻，二者的电压降分
无以成江海 友友情分享
经过改进后的二极管检测输入功率的电路如图5所
示。二极管具有负的温度系数，当温度升高时VD1的 压降会减小，但VD2的压降也同样地减小，最终使输 出电压仍保持恒定。
图5 带温度补偿的二极管检测输入功率的电路
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
15
无以成江海 友友情分享
图6 经过补偿后UO与PIN、γ的特性曲线
现代通信系统由发射机和接收机组成，其 典型电路框图如图1所示。
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
6
无以成江海 友友情分享
图1 发射机和接收机的典型电路框图
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
7
无以成江海 友友情分享
1.1.2 功率测量的基本概念
1. 有效值功率的定义
有效值（RMS）亦称均方根值。有效值电压被定义为对
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
20
无以成江海 友友情分享
另一种测量真有效值功率的电路框图如图8所示.
图8 另一种测量有效值功率的电路框图
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
21
无以成江海 友友情分享
当闭环电路达到稳定状态时，输出电压UO（DC）就
与输入有效值功率PIN成正比。有关系式
UO＝kPIN
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
5
无以成江海 友友情分享
对通信系统的要求是在发送端必须确保功 率放大器能满足发射的需要，并且输出功率 不超过规定指标，否则会导致设备过热损坏。 因此，在发射机电路中必须增加射频功率测 量和功率控制电路。同样，射频功率测量对 接收机也是必不可少的。只有准确测量射频 功率，才能控制可变增益放大器，实现自动 增益控制（AGC），减小信号失真。
2
无以成江海 友友情分享
0 引言
功率是表征射频信号特性的一个重要参数。
近年来随着移动通信技术的迅速发展，准确测量通
信系统中发射机与接收机的功率已成为关键技术之
一。射频功率计一般由功率传感器（亦称功率探
头）、功率检测电路和显示装置组成。功率计分吸
收式（又称终端式）和通过式两种，前者是以功率
传感器探头作为被测系统的终端负载，由它吸收全
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
16
无以成江海 友友情分享
需要指出，二极管检测电路是以平均值为 响应的，它并不能直接测量输入功率的有效 值，而是根据正弦波有效值与平均值的关系 来间接测量有效值功率的。显然，当被测波 形不是正弦波时，波峰因数就不等于1.4142， 此时会产生较大的测量误差。
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
输入交流信号u先进行平方，再取平均值，然后做开平方运
算所得到的电压值。
根据有效值定义计算出的功率称为“真有效值功率”
（True Root Mean Square Power），简称“真功率”（True
Power）。
计算功率的公式为
P＝U2/R＝UI＝I2R
（1）
式中，U是有效值电压，I是有效值电流，R是消耗功率的
图不1积2蹞步对，数无以放致千大里器；不的积小特流，性曲线
27
无以成江海 友友情分享
一般讲，对数放大器的特性曲线仅适用于正弦波输入信号。当输入信号不是正 弦波时，特性曲线上的截距会发生变化，从而影响到输出电压值。此时应对输出 读数进行修正。不同输入波形的输出修正值见表7.1。需要指出，尽管ADI公司 生产的AD8362型单片射频真有效值功率检测系统也属于对数检测功率法，但它 通过采用独特的专利技术能适用于任何输入信号波形，并且特性曲线上的截距不 随输入信号而变化。
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
4
无以成江海 友友情分享
此外，还有美国凌特（Linear Technology） 公司开发的LT5504、LTC5507型单片射频功 率测量系统。
MAXIM公司生产的MAX2019型单片射频 功率测量系统。这类芯片的问世，为实现射 频及宽频带功率检测系统的优化设计创造了 条件。
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
19
无以成江海 友友情分享
3. 真有效值／直流（TRMS/DC）转换检测功 率法
真有效值／直流转换检测功率法的最大优点是
测量结果与被测ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ号的波形无关，这就是“真正 有效值”的含义。因此，它能准确测量任意波形 的真有效值功率。
测量真有效值功率的第一种方法是采用单片真 有效值／直流转换器（例如AD636型），首先测 量出真有效值电压电平，然后转换成其真有效值 功率电平。
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
22
无以成江海 友友情分享
该有效值／直流检测器的UO与PIN、γ 的特性曲 线如图9所示。由图可见，当输入功率较低时，低温
对输出的影响较大。
图9 U不积O与蹞步P，I无N的以致关千里系；及不积误小流差， 曲线
23
无以成江海 友友情分享
AD8361内部有温度补偿电路，经过自动补偿后的 特性曲线如图10所示。
仪表中测量射频（RF）功率，还可构成闭环功率控制系统。
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
29
无以成江海 友友情分享
AD8362的性能特点 （1）属于吸收式功率计，能完成高精度的真有效值／直流（ TRMS/DC）转换，为用户提供一种以分贝为单位的线性输出电 压，这对于测量基站通信设备的功率非常重要。其频率带宽与 输入信号幅度无关。 （2）AD8362能在50Hz～2.7GHz的宽频带范围内准确测量真有 效值功率，在50Ω系统中测量功率的范围是－45dBm～＋15dBm ，动态范围是60 dBm，输出电压灵敏度为50mV/dBm，测量误差 为±0.5dBm。 （3）有3种工作模式可供选择（功率测量模式，功率控制模式 ，休眠模式）。射频输入接口的输入阻抗可设定为100Ω（差分 输入）或200Ω（单端输入）。 （4）该器件在出厂前已进行过激光标定，测量时还能自动修 正误差，能在整个动态范围内保证高精度和高稳定性指标。
28
无以成江海 友友情分享
2 AD8362型单片真有效值功率测量系统的原理
美国ADI公司于2019年、2019年先后推出了AD8361、8362型 单片高精度射频真有效值功率检测系统集成电路，2019年又对 AD8362做了进一步地改进。上述产品均采用真有效值功率测 量的专利技术（TruPwr™），芯片中包含了独特的双平方器闭 环比较转换电路，可为用户提供一种以分贝（dB）为单位、经 过精确标定的线性输出电压。AD8361的工作频率范围是从低 频到2.5 GHz，测量功率的范围为30dBm。AD8362的工作频率 是50Hz～2.7GHz，测量功率的范围是60dBm。它们不仅可广泛 用于3G－CDMA，CDMA、EDGE等移动通信设备及射频仪器