射频真有效值功率测量技术

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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。 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。 和一个直流参考电压的有效热量进行比较 。 当信号 电阻（ 与参考电阻（ 的温度差为零时， 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 两个电阻的功耗是相等的 ， 效值就等于直流参考电压的有效值。 R1 、 R2 为匹配 效值就等于直流参考电压的有效值 。 电阻， 均采用低温度系数的电阻， 电阻 ， 均采用低温度系数的电阻 ， 二者的电压降分 别为KU 为了测量温差， 别为 I、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、 ， 别接着电压输出式温度传感器 、 B，亦可选用两支 热电偶来测量温差。 热电偶来测量温差。
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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 射频（RF） 射频 功率，还可测量中频 中频（IF）、低频 低频（LF） 中频 低频 功率。
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真有效值功率与电压、 图2 真有效值功率与电压、电平的转换关系
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1.1.3 功率测量技术
测量功率有4种方法 种方法： 种方法 ①用二极管检测功率法 用二极管检测功率法； 用二极管检测功率法 ②等效热功耗检测法 等效热功耗检测法； 等效热功耗检测法 ③真有效值／ 直流 （ TRMS/DC）转换检测 真有效值／ 真有效值 直流（ ） 功率法； 功率法 ④对数放大检测功率法 对数放大检测功率法。 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。
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另一种测量真有效值功率的电路框图如图8所示. 另一种
图8 另一种测量有效值功率的电路框图
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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 （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 第一，由于两个平方器 第一 完全相同，因此在改变量程时不影响转换精度；第二 第二， 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 第三，所用平方器的频带非常宽， 第三 可从直流一直到微波频段。
典 型 信 号 正弦波信号 方波或直流信号 三角波信号 GSM信号 CDMA信号（正向连接） CDMA信号（反向连接） PDC信号 高斯噪声 修 正 值 0dB －3.01dB ＋0.9dB ＋0.55dB ＋3.55dB ＋0.5dB ＋0.58dB ＋2.51dB
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备
注
应将修正值与输出功率电平 值相加
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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 UO与PIN的关系及误差曲线
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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。
图10 经过自动补偿后 经过自动补偿后的特性曲线
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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。
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AD8362的性能特点 的性能特点 吸收式功率计， （1）属于吸收式功率计，能完成高精度的真有效值／直流（ ）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 ）转换， 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 这对于测量基站通信设备的功率非常重要。 输入信号幅度无关。 输入信号幅度无关。 能在50Hz～2.7GHz的宽频带范围内准确测量真有 （2）AD8362能在 ） 能在 ～ 的宽频带范围内准确测量真有 效值功率， 系统中测量功率的范围是－ ～＋15dBm 效值功率，在50 系统中测量功率的范围是－45dBm～＋ 动态范围是60 输出电压灵敏度为50mV/dBm，测量误差 ，动态范围是 dBm，输出电压灵敏度为 为±0.5dBm。 种工作模式可供选择（ （ 3）有 3种工作模式可供选择（ 功率测量模式 ， 功率控制模式 ） 种工作模式可供选择 功率测量模式， 休眠模式） 射频输入接口的输入阻抗可设定为100 （差分 ，休眠模式）。射频输入接口的输入阻抗可设定为 输入） 单端输入） 输入）或200 （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 ）该器件在出厂前已进行过激光标定， 正误差，能在整个动态范围内保证高精度和高稳定性指标。 正误差，能在整个动态范围内保证高精度和高稳定性指标。 单电源供电。 （6）采用＋5V单电源供电。 ）采用＋ 单电源供电
图11 对数放大检测器的电路框图
25Leabharlann 对数放大器能对输入交流信号的包络进行 对数运算，其输出电压与kS、PIN的关系式为 UO＝kS (PIN－b) 时的输入功率电平值。 （6） 式中的b代表截距 代表截距，即对应于输出电压为零 代表截距
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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。
2 AD8362型单片真有效值功率测量系统的原理 型单片真有效值功率测量系统的原理
美国ADI公司于2001年、2002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，2003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 仪表中测量射频（RF）功率，还可构成闭环功率控制系统。
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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MAX2015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。
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对通信系统的要求是在发送端必须确保功 在发送端必须确保功 率放大器能满足发射的需要， 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。 不超过规定指标 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 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 接收机也是必不可少的 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。 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。
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图1 发射机和接收机的典型电路框图
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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 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 电阻。由于现代通信系统具有恒定的负载和阻抗源（通常 为50 ），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。
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
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射频真有效值功率测量技术
0 1 2 3 4 引言 射频功率测量技术 单片真有效值功率测量系统的原理 单片真有效值功率测量系统 单片真有效值功率测量系统的应用 单片真有效值功率测量系统 结语
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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 吸 收式（又称终端式）和通过式 通过式两种，前者是以功率 收式 通过式 传感器探头作为被测系统的终端负载，由它吸收全 部被测功率，最后通过显示器显示出被测功率值。
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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50 。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
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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。
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需要指出， 需要指出，二极管检测电路是以平均值为 响应的， 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 来间接测量有效值功率的 。 显然 ， 形不是正弦波时，波峰因数就不等于1.4142， 形不是正弦波时，波峰因数就不等于 ， 此时会产生较大的测量误差。 此时会产生较大的测量误差。
图4 在不同温度下输出电压和输入功率的关系曲线
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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 带温度补偿的二极管检测输入功率的电路
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图6 经过补偿后UO与PIN、γ的特性曲线
图12 对数放大器的特性曲线
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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 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 特性曲线上的截距会发生变化 读数进行修正 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 修正 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。 表7.1 不同输入波形的修正值 7.1
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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。
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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 2RMS / 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1 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 dBm＝dBV＋13dB （4）
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等效热功耗检测法的检测电路如图7所示 。 等效热功耗检测法的检测电路如图 所示。 其原理 所示 非常简单， 但在实际应用中很难实现， 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。 测设备的价格非常昂贵。
图7 等效热功耗检测法的电路
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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 测量结果与被测信号的波形无关，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 第一种方法是采用单片真 第一种方法 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。