一種寬帶功放輸出電平值精確檢測方法

馮昕罡,徐　平

(西安導航技術研究所 通信事業(yè)部,陜西 西安　710068)

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一種寬帶功放輸出電平值精確檢測方法

馮昕罡,徐平

(西安導航技術研究所 通信事業(yè)部,陜西 西安710068)

摘要文中基于理論分析,提出了一種寬頻帶高精度功率檢測方法。通過使用測試儀器進行簡單的測量,建立實際電路中各工作頻率待測功率值與檢測電壓值之間的計算關系,克服電路器件的參數(shù)隨頻率變化的問題,進而提高對寬帶功率信號的檢測精度。實測結(jié)果表明,對于40～56 dBm電平值范圍的功放輸出信號,檢測值與實測值誤差<0.8 dB。

關鍵詞定向耦合器;功率檢測;對數(shù)檢波器

功放[1]是通信、雷達等電子設備發(fā)射機中必不可少的組成部分,為提高設備發(fā)射機自檢、保護以及功率控制等功能的有效性和可靠性,通常功放輸出信號電平值檢測是發(fā)射機設計重點考慮因素之一。目前基于定向耦合器[2]的功率檢測電路,由于其電路簡單、體積小等優(yōu)點,應用廣泛[3-5]。本文針對這種檢測電路進行了理論分析,提出了一種寬帶功放輸出信號電平值精確檢測的方法。

1檢測電路理論分析

典型的發(fā)射機框圖如圖1所示,其中采用定向耦合器將功放輸出的極小部分能量耦合輸入至對數(shù)檢波器進行檢波,完成對發(fā)射信號電平值的檢測。

圖1中,pa為功放輸出的功率值,Γ1為耦合器輸出端口與后級電路的反射系數(shù),Pt為發(fā)射機天線端口實際發(fā)射功率,根據(jù)定向耦合器的耦合系數(shù)C、定向系數(shù)D及插損值IL可按照式(1)[6-7],計算出耦合器耦合出的功率值Pj

(1)

根據(jù)文獻[8]中的計算結(jié)果可知,對于典型定向耦合器,當后級電路駐波系數(shù)為2.5時,電平值檢測的最大變化量為0.73dB。如圖1所示,在耦合器后設置隔離器,可大幅度降低反射功率輸入值,即使在后級電路出現(xiàn)嚴重失配情況下,仍然可保證反射功率只對功率檢測精度造成微小的影響,因此式(1)可簡化為

(2)

考慮功放輸出端口到天線端口之間耦合器、隔離器及濾波器等電路級聯(lián)后的插損值總和為Δ時

(3)

對數(shù)檢波器具有線性度高、溫度特性穩(wěn)定、動態(tài)范圍大等特性,應用較廣泛,其輸出的檢測電壓值和待測信號電平值基本呈線性關系,如式(4)所示

Vj=S×(10log(Pj)+A)

(4)

式(4)中,S參數(shù)為對數(shù)檢波器的斜率,單位dBm/V;而參數(shù)A為一個固定值,將式(3)帶入式(4)中,經(jīng)過推算可得

圖1　發(fā)射機示意框圖

(5)

由于耦合器耦合系數(shù)C,電路插損值Δ是隨頻率變化的變量,甚至檢波的斜率參數(shù)同樣隨頻率變化,因此由式(5)可得出,對于相同檢測功率,由于信號頻率不同,則檢測的電壓值將不同,這一影響在工作頻帶較寬,發(fā)射信號頻率捷變的系統(tǒng)中更為明顯。

使用儀器對某型設備發(fā)射機進行了實際測試,該設備發(fā)射機功率檢測電路按圖1所示框圖設計。當該發(fā)射機發(fā)射50dBm電平值時,如圖2所示,在f0±60MHz的頻率范圍內(nèi),檢測電壓值的變化>100mV,若按照對數(shù)檢波器斜率為25dBm/mV計算,功率檢測值的誤差將>4dB。

圖2　發(fā)射功率為50 dBm時檢測電壓值隨頻率變化的曲線

2檢測方法的設計與實現(xiàn)

固定的發(fā)射機電路,對于某一頻率fn,耦合器的耦合系數(shù)C與電路差損值Δ等參數(shù)是確定的,但當發(fā)射機電路研制完成時,由于存在加工誤差、射頻寄生參數(shù)以及器件之間并不是完全匹配等因素影響,發(fā)射機各級電路疊加后的實際插損值、耦合器的實際耦合系數(shù)難以通過仿真、測量準確獲取。

對于固定頻率fn,式(5)可簡化為

10log(Pt)=M×Vj+N

(6)

式(6)中,M和N為固定值,若使用測試儀器測量出兩組相對應的檢測電壓值和功率值:Vj1、Pt1和Vj2、Pt2,則可計算出M和N,如式(7)和式(8)所示

(7)

(8)

將式(7)和式(8)計算所得M和N,帶入式(6)后,對于固定頻率點fn,根據(jù)任意檢測電壓值Vj,可計算出功率值Pt。對于上述某型設備,搭建試驗環(huán)境,如圖3所示。

圖3　試驗環(huán)境框圖

通過計算機控制使設備工作在f1頻率,分別輸出56dBm、40dBm電平值,這兩個電平值可由功率計準確測量,同時通過通信協(xié)議計算機分別讀取此時發(fā)射功率對應的檢測電壓值Vmax和Vmin,然后通過計算機將這兩個值寫入設備控制電路中的Flash中,按照上述方法測試,可在Flash中建立所有工作頻點的Vmax和Vmin值的查找表。

當設備發(fā)射功率時,發(fā)射機上位機實時將發(fā)射信號的頻率傳輸至FPGA,FPGA根據(jù)傳輸?shù)念l率信息,查找Flash中相應頻率點的Vmax和Vmin值,然后根據(jù)式(6)、式(7)和式(8)可計算出當前檢測電壓值對應的發(fā)射功率值。

基于上述方法,在1 000MHz和1 200MHz兩個工作頻點上設備發(fā)射40～56dBm電平值,如圖4所示,實際測量的功率值與檢測值誤差<0.8dB,具有較高的精度。

圖4　檢測功率值與實際發(fā)射功率值誤差曲線

3結(jié)束語

本文提出的寬頻帶功放輸出信號電平值檢測方法,主要解決了由于實際電路中耦合器、濾波器等器件的參數(shù)隨頻率變化難以準確計算或者測量,造成寬帶功放信號輸出電平值無法準確檢測的問題。該檢測方法實現(xiàn)簡單,通過使用一般的測試儀器進行簡單的測量,可建立實際電路中各工作頻率待測功率值與檢測電壓值的之間的計算關系,利用功放的FPGA數(shù)字控制電路進行簡單的編程,可完成檢測方法中涉及的相關計算。在實際應用中,對于40～56dBm電平值范圍的功放輸出信號,檢測值與實測值誤差<0.8dB,證明了該方法的有效性。

參考文獻

[1]CrippsSC.RFPoweramplifiersforwirelesscommunications[M].Norwood,MA:ArtechHouse,1999.

[2]RajeshMongia,InderBahl,PrakashBhartia.RFandmicrowavecoupled-linecircuits[M].NewYork:ArtechHouse,1999.

[3]曹乃勝.用于高功率微波測量的孔耦合定向耦合器研究與設計[D].成都:成都電子科技大學,2008.

[4]AminMAbbosh,MarekEBialkowski.DesignofcompactdirectionalcouplersforUWBapplications[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2007,55(2):189-194.

[5]王斌,趙偉剛.發(fā)射機駐波保護電路設計[J].電子信息對抗技術,2008,23(1):62-64.

[6]宋大偉.波導定向耦合器的設計研究[D].成都:電子科技大學,2013.

[7]周萌.帶狀線定向耦合器的分析與設計[D].西安:西安電子科技大學,2009.

[8]柯林,章國豪,馮衛(wèi)峰.關于功率放大器中功率檢測在負載失配下的研究[J].移動通信,2014,38(12):55-58.

Accurate Detection of Output Signal Level of Wideband Power Amplifier

FENG Xingang,XU Ping

(Ministry of Communications,Xi’an Research Institute of Navigation Technology,Xi’an 710068,China)

AbstractA high precision power detection method for wideband power amplifier is proposed base on theoretical analysis.The relation between the power under test and the detected voltage in the circuit is obtained by simple measurement to solve the uncertainty of the variation of circuit component parameters with frequency,thus improving the detection precision.The difference between detected and measured results of power amplifier at 40～56 dBm is less than 0.8 dB.

Keywordsdirectional coupler; power detection; log detector

中圖分類號TN622

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)04-144-03

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.038

作者簡介:馮昕罡(1984—),男,工程師。研究方向:大功率功放及射頻電路設計與實現(xiàn)。

收稿日期:2016- 01- 08