射頻 （RF） 功率的測量和控制是設(shè)計無線發(fā)射器時的關(guān)鍵考慮因素。高功率RF功率放大器（PA）很少在開環(huán)模式下工作（即，當(dāng)天線的功率未以某種方式受到監(jiān)控時）。外部因素，如對傳輸功率的監(jiān)管要求、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)健性以及與其他無線網(wǎng)絡(luò)共存的需求，都需要對傳輸功率進(jìn)行強有力的控制。除了這些外部要求之外，精確的RF功率控制還可以改善頻譜性能，并可能使發(fā)射器的功率放大器更加節(jié)能和更具成本效益。

為了調(diào)節(jié)PA的發(fā)射功率，可能需要對PA輸出功率進(jìn)行某種形式的工廠校準(zhǔn)。校準(zhǔn)算法在復(fù)雜性和有效性方面差異很大。本應(yīng)用筆記介紹了如何實現(xiàn)典型的RF功率控制方案，并比較了具有線性dB傳遞函數(shù)的RF檢波器的各種工廠校準(zhǔn)算法的有效性和效率。

集成電源控制的典型無線發(fā)射器

圖1顯示了典型無線發(fā)射器的框圖，該發(fā)射器集成了發(fā)射功率的測量和控制。使用定向耦合器，來自PA的一小部分信號被耦合并饋送到RF檢波器。在這種情況下，耦合器靠近天線，但在雙工器和隔離器之后。因此，與雙工器和隔離器相關(guān)的功率損耗在校準(zhǔn)過程中被考慮在內(nèi)。

圖1.具有集成發(fā)射功率控制的典型RF功率放大器（集成RF功率檢波器提供有關(guān)當(dāng)前傳輸功率水平的連續(xù)反饋。使用外部RF功率計和RF功率檢測器來校準(zhǔn)發(fā)射器。

定向耦合器的耦合系數(shù)通常為20 dB至30 dB。因此，來自耦合器的信號比進(jìn)入天線的信號低20 dB至30 dB。以這種方式耦合斷電會導(dǎo)致發(fā)射路徑中的一些功率損耗。這種定向耦合器插入損耗通常為零點幾分貝。

在無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中，最大發(fā)射功率通常在30 dBm至50 dBm（1 W至100 W）之間，來自定向耦合器的信號對于測量信號的RF檢波器來說仍然太強。因此，耦合器和RF檢波器之間需要一些額外的衰減。

現(xiàn)代均方根和對數(shù)RF檢波器的功率檢測范圍為30 dB至100 dB，并提供溫度和頻率穩(wěn)定的輸出。在大多數(shù)應(yīng)用中，檢波器輸出被施加到要數(shù)字化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。存儲在非易失性存儲器（EEPROM）中的校準(zhǔn)系數(shù)將來自ADC的代碼轉(zhuǎn)換為發(fā)射功率讀數(shù)。將此功率讀數(shù)與設(shè)定點功率水平進(jìn)行比較。如果設(shè)定值與測量功率之間存在差異，請進(jìn)行功率調(diào)整。在信號鏈中的多個點中的任何一個進(jìn)行此功率調(diào)整。驅(qū)動無線電的基帶數(shù)據(jù)的幅度可以調(diào)整，可變增益放大器（在IF或RF）可以調(diào)整，或者可以改變PA的增益。通過這種方式，增益控制環(huán)路進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，并將發(fā)射功率保持在所需限值內(nèi)。需要注意的是，電壓可變衰減器（VVA）和PA的增益控制傳遞函數(shù)通常是非線性的。因此，給定增益調(diào)整導(dǎo)致的實際增益變化是不確定的。這種不確定性強化了對控制回路的需求，該控制回路提供有關(guān)所做更改的反饋，并為后續(xù)迭代提供進(jìn)一步指導(dǎo)。

工廠校準(zhǔn)的必要性

在前面描述的典型無線發(fā)送器系統(tǒng)中，幾乎沒有一個組件提供精確的絕對增益精度規(guī)格。考慮發(fā)射功率誤差目標(biāo)為±1 dB的情況。PA、VVA、RF增益模塊和信號鏈中其他元件等器件的絕對增益可能因器件而異，以至于產(chǎn)生的輸出功率不確定性明顯大于±1 dB。此外，信號鏈增益會隨著溫度和頻率的變化而進(jìn)一步變化。因此，有必要持續(xù)監(jiān)測和控制正在傳輸?shù)墓β省?/p>

輸出功率校準(zhǔn)可以定義為將外部基準(zhǔn)的精度傳輸?shù)秸谛?zhǔn)的系統(tǒng)中。校準(zhǔn)過程包括斷開天線的連接，并用外部測量基準(zhǔn)（如RF功率計）替換天線，如圖1所示。通過這種方式，精確的外部功率計的精度被傳輸?shù)桨l(fā)射器的集成功率檢測器中。校準(zhǔn)過程包括設(shè)置一個或多個功率電平，從功率計獲取讀數(shù)，從RF檢波器獲取電壓，并將所有這些信息存儲在EEPROM中。然后，隨著功率計的移除并重新連接天線，發(fā)射器能夠精確調(diào)節(jié)其自身的功率。隨著放大器增益與溫度、發(fā)射頻率和所需輸出功率電平等參數(shù)的變化，經(jīng)過校準(zhǔn)的板載RF檢波器就像一個內(nèi)置功率計，具有絕對精度，可確保發(fā)射器始終在定義的容差范圍內(nèi)發(fā)射所需的功率。

校準(zhǔn)RF功率控制環(huán)路部分介紹了工廠校準(zhǔn)程序。首先，必須檢查典型RF功率檢波器的特性。系統(tǒng)RF檢波器在整個溫度和頻率范圍內(nèi)的線性度和穩(wěn)定性強烈影響校準(zhǔn)程序的復(fù)雜性和可實現(xiàn)的校準(zhǔn)后精度。

射頻檢波器傳遞函數(shù)

圖2顯示了對數(shù)響應(yīng)RF檢波器（對數(shù)放大器）的傳遞函數(shù)，為了便于說明，溫度漂移被夸大了。對數(shù)放大器傳遞函數(shù)是線性dB，可以在其線性工作范圍內(nèi)使用簡單的一階方程進(jìn)行建模。圖中顯示了三條曲線：+25°C、+85°C和?40°C時的輸出電壓與輸入功率的關(guān)系。 +25°C時，檢波器的輸出電壓范圍為?60 dBm輸入功率時的1.8 V左右至0 dBm時的0.4 V。傳遞函數(shù)緊隨一條假想直線，該直線位于跡線上。盡管傳遞函數(shù)在末端偏離這條直線，但請注意，在?10 dBm和?5 dBm之間的功率電平下也存在非線性跡象。

圖2.傳遞函數(shù) （V外vs. P在）的對數(shù)響應(yīng)RF功率檢波器，為了說明目的，溫度漂移被夸大了。

快速計算表明，該檢波器的斜率約為?25 mV/dB（即輸入功率變化1 dB會導(dǎo)致輸出電壓變化25 mV）。該斜率在動態(tài)范圍的線性部分是恒定的。因此，盡管在?10 dBm左右發(fā)現(xiàn)非線性度略有下降，但使用以下公式對傳遞函數(shù)在25°C下的行為進(jìn)行建模：

其中截距是外推直線與圖的 x 軸相交的點（參見圖 2）。當(dāng)斜率和截距已知且測量來自檢波器的輸出電壓時，通過重寫上述公式計算未知RF輸入，如下所示：

因此，使用這個簡單的一階方程對檢測器的傳遞函數(shù)進(jìn)行建模。從校準(zhǔn)的角度來看，該方程很有用，因為該方程允許通過在校準(zhǔn)過程中施加和測量兩個不同的功率電平來建立探測器的傳遞函數(shù)。

接下來，考慮這個假想探測器在溫度范圍內(nèi)的行為。輸入功率為–10 dBm時，輸出電壓從環(huán)境溫度到?40°C或+85°C變化約100 mV。 根據(jù)先前的斜率計算（?25 mV/dB），這相當(dāng)于測量功率的偏差為±4 dB，這在大多數(shù)實際系統(tǒng)中是不可接受的。在實踐中，需要傳遞函數(shù)隨溫度漂移最小的檢測器。為確保在環(huán)境溫度下執(zhí)行的校準(zhǔn)程序在整個溫度范圍內(nèi)也有效，允許變送器在環(huán)境溫度下進(jìn)行工廠校準(zhǔn)，以避免在高溫和低溫下進(jìn)行昂貴且耗時的校準(zhǔn)周期。

如果發(fā)射器是頻率捷變的，并且必須在定義的頻帶內(nèi)以多個頻率傳輸，請注意檢波器的行為與頻率的關(guān)系。理想情況下，必須使用響應(yīng)在定義的頻帶內(nèi)沒有顯著變化的RF檢波器。使用具有平坦頻率響應(yīng)的檢波器可以在單個頻率（通常在中頻）校準(zhǔn)發(fā)射器，并確保隨著頻率的變化幾乎沒有精度損失。

表1顯示了ADI公司各種均方根和對數(shù)RF功率檢波器的檢測范圍和溫度穩(wěn)定性。

校準(zhǔn)射頻功率控制環(huán)路

圖3顯示了用于校準(zhǔn)變送器的流程圖，如圖1所示。這種簡單快速的兩點校準(zhǔn)在功率水平必須僅設(shè)置近似值（但必須精確測量）的情況下非常有用。為了使這種校準(zhǔn)有效，集成RF檢波器必須在溫度和頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，并且必須具有可預(yù)測的響應(yīng)，可以使用簡單的公式進(jìn)行建模。

圖3.簡單的兩點校準(zhǔn)程序，用于校準(zhǔn)帶有集成對數(shù)檢測器的變送器。

確保發(fā)射器的工作功率范圍與RF檢波器的線性工作范圍一致。首先，卸下天線并將功率計連接到天線連接器。接下來，將輸出功率電平設(shè)置為接近最大功率。功率計測量天線連接器的功率，并將讀數(shù)發(fā)送到發(fā)射器的板載微控制器或數(shù)字信號處理器（DSP）。同時，對RF檢波器ADC進(jìn)行采樣，發(fā)射器的處理器讀取樣本。

接下來，將發(fā)射器的輸出功率降低到接近最小功率的水平并重復(fù)該過程（測量天線連接器和樣本RF檢波器ADC的功率）。

利用這四個讀數(shù)（低功率電平、高功率電平、低ADC代碼和高ADC代碼），可以計算斜率和截距（見圖3）并將其存儲在非易失性存儲器中。

射頻功率控制環(huán)路的現(xiàn)場操作

圖4顯示了校準(zhǔn)后用于精確設(shè)置變送器功率的流程圖。在本例中，目標(biāo)是發(fā)射功率誤差小于或等于±0.5 dB。最初，根據(jù)最佳首次猜測設(shè)置輸出功率電平。接下來，對檢波器ADC進(jìn)行采樣。從存儲器中檢索斜率和截距，并計算傳輸?shù)妮敵龉β孰娖健?/p>

圖4.校準(zhǔn)后變送器的操作。

如果輸出功率不在P的±0.5 dB范圍內(nèi)設(shè)置，使用 VVA 將輸出功率增加或減少約 0.5 dB。使用該術(shù)語近似是因為VVA可能具有非線性傳遞函數(shù)。再次測量發(fā)射功率并應(yīng)用進(jìn)一步的功率增量，直到發(fā)射功率誤差小于±0.5 dB。

當(dāng)功率水平在容差范圍內(nèi)時，如有必要，請持續(xù)監(jiān)控和調(diào)整。例如，如果信號鏈中某個元件的增益隨溫度變化而漂移，則當(dāng)測得的功率超出其±0.5 dB設(shè)定點范圍時激活環(huán)路。

存在此算法的其他變體。例如，如果希望保持盡可能低的輸出功率，但仍不超過設(shè)定點的0.5 dB，請采用不同的方法。在這種情況下，第一個功率設(shè)置的電平小于所需的功率電平（并且超出容差）。然后，環(huán)路測量功率，但設(shè)定點增量要小得多（例如，0.1 dB）。這樣，輸出功率始終從小于設(shè)定值的值接近設(shè)定值。一旦輸出功率進(jìn)入?0.5 dB頻段，功率增量就會停止，確保實際電平始終低于設(shè)定點電平，同時仍在容差范圍內(nèi)。

校準(zhǔn)后誤差

圖5至圖8顯示了來自同一RF檢波器的數(shù)據(jù)，但使用的校準(zhǔn)點選擇和數(shù)量不同。圖5顯示了AD8318在2.2 GHz時的檢波器傳遞函數(shù)，AD8318是一款工作頻率高達(dá)8 GHz的寬動態(tài)范圍RF對數(shù)檢波器。在這種情況下，檢測器使用兩點校準(zhǔn)（?12 dBm和?52 dBm）進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)完成后，繪制殘余測量誤差。請注意，即使在執(zhí)行校準(zhǔn)的環(huán)境溫度下，誤差也不為零，因為對數(shù)放大器不能完全遵循理想的V外vs. P在等式（V外= 斜率× （P在? 攔截）），即使在其運行區(qū)域內(nèi)。然而，根據(jù)定義，?12 dBm和?52 dBm校準(zhǔn)點的誤差等于零。

圖5.兩點校準(zhǔn)，校準(zhǔn)點在探測器的線性工作范圍內(nèi)，提供良好的整體性能。

圖6.將校準(zhǔn)點分開并移入線性較低的工作范圍會擴(kuò)展工作范圍，但代價是精度下降。

圖7.校準(zhǔn)點靠近的兩點校準(zhǔn)可在較窄的范圍內(nèi)提高精度。

圖8.多點校準(zhǔn)擴(kuò)展了檢測器范圍，可以提高線性度，但代價是校準(zhǔn)過程更加復(fù)雜。

圖5還包括?40°C和+85°C輸出電壓的誤差圖。 這些誤差圖是使用25°C斜率和截距校準(zhǔn)系數(shù)計算的。除非實施基于溫度的校準(zhǔn)程序，否則必須使用具有輕微殘余溫度漂移的25°C校準(zhǔn)系數(shù)。

在許多應(yīng)用中，當(dāng)PA以最大功率傳輸時，希望具有更高的精度。從多個角度來看，這種愿望是有道理的。首先，可能存在監(jiān)管要求，要求在全功率或額定功率下具有更高的精度水平。但是，從系統(tǒng)設(shè)計的角度來看，在額定功率下提高精度也有價值?？紤]設(shè)計為傳輸 45 dBm（約 30 W）的發(fā)射器。如果校準(zhǔn)最多只能提供±2 dB的精度，則PA電路（功率晶體管和散熱器）必須設(shè)計為安全傳輸高達(dá)47 dBm或50 W的功率。相反，可以設(shè)計一個校準(zhǔn)后精度為±0.5 dB的系統(tǒng)，以便PA必須設(shè)計為傳輸比應(yīng)用要求更多的RF功率，以安全傳輸45.5 dBm或大約36 W。

通過改變執(zhí)行校準(zhǔn)的點，在某些情況下可以極大地影響可實現(xiàn)的精度。圖7顯示了與圖5相同的測量數(shù)據(jù)，但使用了不同的校準(zhǔn)點。請注意，在圖7中，從?10 dBm到?30 dBm的精度非常高（約±0.25 dB）。但是，在遠(yuǎn)離校準(zhǔn)點的較低功率電平下，精度會降低。

圖6顯示了移動校準(zhǔn)點如何以犧牲線性度為代價來增加動態(tài)范圍。在這種情況下，校準(zhǔn)點為?4 dBm和?60 dBm。這些點位于設(shè)備線性范圍的末端。同樣，在25°C時的校準(zhǔn)點可以看到0 dB的誤差，AD8318保持<±1 dB誤差的范圍擴(kuò)展到25°C時的60 dB和整個溫度下的58 dB。這種方法的缺點是整體測量誤差增加，特別是在這種情況下，在探測器范圍的頂端。

圖8顯示了使用更精細(xì)的多點算法的校準(zhǔn)后誤差。在這種情況下，將多個輸出功率電平（在本例中為6 dB）施加到發(fā)射器，并測量每個功率電平下檢波器的輸出電壓。這些測量用于將傳遞函數(shù)分解為多個段，每個段都有自己的斜率和截距。該算法傾向于大大減少由于檢測器非線性引起的誤差，并使溫度漂移成為誤差的主要來源。這種方法的缺點是校準(zhǔn)過程需要更長的時間，并且需要更多的內(nèi)存來存儲多個斜率和截距校準(zhǔn)系數(shù)。

圖8顯示了功率檢波器在其動態(tài)范圍的低端和高端的行為之間的差異。雖然多點校準(zhǔn)擴(kuò)展了高端動態(tài)范圍，但由于溫度漂移增加，這種范圍擴(kuò)展沒有用。請注意，環(huán)境走線、熱跡線和冷跡線在功率電平大于?10 dBm時如何發(fā)散。在低功率水平下，結(jié)果更有用。同樣，多點校準(zhǔn)有助于擴(kuò)展低端動態(tài)范圍。但是，在這種情況下，熱跡線和冷跡線會密切跟蹤環(huán)境跡線，即使環(huán)境跡線變?yōu)榉蔷€性。因此，當(dāng)使用多點校準(zhǔn)消除這種非線性時，在整個溫度范圍內(nèi)都能保持出色的精度，從而有效地將AD8318的傳遞函數(shù)擴(kuò)展到?65 dBm。

結(jié)論

在需要精確RF功率傳輸?shù)膽?yīng)用中，需要某種形式的系統(tǒng)校準(zhǔn)。現(xiàn)代基于IC的RF功率檢波器具有線性響應(yīng)，并且溫度和頻率穩(wěn)定。線性響應(yīng)與溫度和頻率范圍內(nèi)的穩(wěn)定性相結(jié)合，可以顯著簡化系統(tǒng)校準(zhǔn)，并提供±0.5 dB或更高的系統(tǒng)精度。校準(zhǔn)點的位置和數(shù)量會對可實現(xiàn)的校準(zhǔn)后精度產(chǎn)生重大影響。

審核編輯：郭婷