射頻接收前端功率檢測電路的設(shè)計

鄭華溢，石 玉

(電子科技大學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院,四川 成都 610054)

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射頻接收前端功率檢測電路的設(shè)計

鄭華溢，石 玉

(電子科技大學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院,四川 成都 610054)

針對射頻接收前端頻段寬、大動態(tài)范圍與低損耗需求的特點，文中在常用功率檢測電路基礎(chǔ)上增加了小信號耦合器與可變增益補(bǔ)償模塊，設(shè)計了一種用于射頻接收前端的功率檢測電路，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)10～4 000 MHz射頻信號的功率檢測，動態(tài)范圍可達(dá)105 dB，主路損耗僅1 dB。

射頻功率檢測；寬頻帶；低損耗；大動態(tài)范圍

在無線通信系統(tǒng)中[1]，射頻接收機(jī)中一般包含多個增益模塊對接收到的小信號進(jìn)行放大，而各增益模塊是否正常工作直接影響到整個接收系統(tǒng)的工作狀況。因此，在射頻接收機(jī)中對鏈路是否工作正常的檢測尤為重要。在現(xiàn)有的簡單檢測方式中常見的是有源器件的電壓、電流檢測[2]。但在實際應(yīng)用中經(jīng)常存在電壓、電流正常但是鏈路器件工作不正常的狀況。同時，目前射頻接收機(jī)多采用多腔與多模塊方式設(shè)計，維護(hù)時可能涉及多個屏蔽盒與蓋板，電壓或電流檢測正常時出現(xiàn)的故障給故障定位與維修帶來了較大困難。而采用鏈路分段增益檢測的方式因為其檢測準(zhǔn)確度高，鏈路定位準(zhǔn)確，可維護(hù)性好等特點已被廣泛用于射頻接收機(jī)中[3]。

增益檢測的基礎(chǔ)即是信號功率檢測，兩個及以上的功率檢測模塊可構(gòu)成增益檢測電路。在常用的超外差式接收機(jī)中，射頻輸入級因其存在輸入頻帶寬、動態(tài)范圍大、損耗對系統(tǒng)的噪聲系數(shù)影響大等特點[4]，對射頻輸入級的功率檢測最為困難。本文從射頻輸入級的實際需求出發(fā)，采用寬帶小信號耦合器+寬帶放大器+對數(shù)檢波器+ADC芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計了一款用于10～4 000 MHz的射頻接收前級的功率檢測模塊電路，具有主路損耗小、頻帶寬、動態(tài)范圍大等特點。

1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 功率檢測電路原理框圖

2 電路設(shè)計

本設(shè)計的射頻接收前端功率檢測電路的原理圖如圖2所示。

圖2 功率檢測模塊電路原理圖

2.1 寬帶小信號耦合單元

射頻功率檢測常用功率分配方式為Y型電阻功分器[5]，但因其存在插入損耗大的問題，無法應(yīng)用在射頻接收前級電路。本設(shè)計的寬帶小信號耦合單元將一小部分射頻輸入功率耦合到功率檢測鏈路，同時保證大部分信號功率進(jìn)入接收機(jī)主路，以減小接收機(jī)前端的插入損耗，從而減小接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。

圖3 耦合單元原理圖及ADS仿真結(jié)果

設(shè)計采用如圖3(a)所示的電阻耦合單元，使用ADS軟件對其進(jìn)行仿真可得圖3(b)的仿真結(jié)果[6]。

從圖3可知，此小信號耦合單元的主路損耗約為1 ，信號檢測對端能夠耦合-19.2 dB的輸入信號，端口回波損耗均在-19 dB以下，能夠滿足低損耗、寬頻帶的應(yīng)用需求。

2.2 增益補(bǔ)償單元

增益補(bǔ)償單元為圖2中兩個SP4T開關(guān)及中間部分，為補(bǔ)償檢測信號的損耗并提高系統(tǒng)的動態(tài)范圍，本單元選用不同放大器或直通可提供3種不同增益的補(bǔ)償鏈路，通過開關(guān)來進(jìn)行控制切換。小信號時切換到由ADI公司的HMC313[7]與Triquint公司的TQP369182[8]兩個寬帶放大器構(gòu)成的G1路，提供較高的增益補(bǔ)償；大信號時切換到直通通路G3路，不需進(jìn)行增益補(bǔ)償；上電默認(rèn)及一般功率情況均通過單個HMC313放大器構(gòu)成G2路來補(bǔ)償耦合損耗，具體算法見控制單元的算法分析。

HMC313與TQP369182均為寬帶放大器，能夠應(yīng)用于10～4 000 的頻率，同時也具有較高的增益平坦度，減小了對未知頻率信號進(jìn)行功率檢測的誤差。開關(guān)則選擇了Peregrine Semiconductor公司的PE42441型1分4開關(guān)[9]，可用于DC-6 GHz頻段，插損<1 dB，能夠滿足設(shè)計應(yīng)用需求。

2.3 對數(shù)檢波單元

對數(shù)檢波方法因其具有良好的線性、溫度穩(wěn)定性與高動態(tài)范圍被廣泛應(yīng)用于單載波信號的功率測量[10]。

圖4 對數(shù)檢波器原理框圖

對數(shù)檢波器的原理如圖4所示，其核心為對數(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。

對數(shù)檢波器的傳輸函數(shù)為

UO=KS(Pin-b)

(1)

其中，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[11]。

設(shè)計以ADI公司的對數(shù)檢波器芯片ADL5513[12]為核心構(gòu)建對數(shù)檢波單元。由其數(shù)據(jù)手冊可知ADL5513可用于10～4 000 MHz的射頻信號功率檢測，輸出電壓為0.4～2.1 V，線性動態(tài)范圍可達(dá)-65～5 dBm，適合用于寬帶射頻信號的功率檢測。同時可知檢波參數(shù)Ks為21 mV/dB，截距為-88 dBm，通過作圖軟件得到ADL5513的擴(kuò)展檢波曲線圖，如圖5所示。

圖5 ADL5513擴(kuò)展曲線圖

因此，可以得到ADL5513的傳輸函數(shù)為

UO=21[Pin-(-88)]

(2)

式中，Pin單位dBm；UO為ADL5513輸出電壓，單位mV。已知輸出電壓后即可通過式(2)即可計算出ADL5513對數(shù)檢波單元的射頻輸入功率。

2.4 ADC單元

ADC單元將檢波得到的電壓信號通過采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號再通過SPI通信傳遞給控制模塊。本次設(shè)計選用ADI公司的ADC芯片AD7091，通過數(shù)據(jù)手冊可知其輸入電壓范圍為0～VDD，芯片供電VDD取2.5 V完全能夠滿足ADL5513的0.4～2.1 V輸出要求[13]。同時AD7091為12位ADC芯片，將其輸入范圍配置為0～2.5 V，則其LSB大小為0.61 mV，考慮ADL5513的檢波斜率為21 mV/dB，可通過簡單計算得出數(shù)字分辨率約為0.03 dB/LSB，此較高分辨率能夠滿足功率檢測的精度要求。

2.5 控制單元與算法

增益補(bǔ)償具體的算法流程圖如圖6所示，默認(rèn)使用G2路可以檢測約-60～8 dBm的射頻輸入信號；當(dāng)判斷為大信號時切換G3路直通路，可以檢測最大25 dBm的射頻信號；當(dāng)判斷為小信號時，切換G1路高增益補(bǔ)償路，最小可以檢測約-81 dBm的射頻信號。因此，整個電路模塊具備了檢測-80～25 dBm的射頻輸入信號功率的能力，具有105 dB的超大動態(tài)范圍，能夠滿足多數(shù)射頻接收機(jī)輸入級的功率檢測需求。

圖6 增益補(bǔ)償算法流程圖

3 電路測試及分析

為測試此功率檢測電路的性能，依照圖2的電路設(shè)計了一款功率檢測實驗測試電路放置于射頻機(jī)中，并與接收機(jī)控制單元整合。采用此功率檢測電路來測試AV1442信號源與20 dB固定衰減器的輸出功率，輸出功率范圍為-80～10 dBm，并以Agilent的頻譜分析儀N9010A測得的功率為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，測試結(jié)果如表1所示。

表1 功率檢測模塊電路實驗測試結(jié)果

由測試結(jié)果可知，此功率檢測電路的檢測誤差均在±3 dB以內(nèi)，由于計算增益補(bǔ)償時采用了放大器、開關(guān)的中間值，對數(shù)檢波器對不同頻率呈現(xiàn)出不同的截點及斜率等因素，導(dǎo)致整體誤差的存在。此外，由于所用信號源無法輸出15 dBm以上的大信號，故無法進(jìn)行動態(tài)范圍上限25 dBm信號的檢測實驗，本電路理論動態(tài)范圍可達(dá)105 dBm，后續(xù)可通過增加放大器等手段進(jìn)行補(bǔ)充驗證。

4 結(jié)束語

本文采用寬帶電阻小信號耦合電路、可調(diào)增益補(bǔ)償電路、對數(shù)檢波芯片ADL5513與ADC芯片AD7091設(shè)計了一個用于射頻接收機(jī)輸入級的功率檢測電路，使用頻率范圍為10～4 000 ，檢測功率范圍理論上可達(dá)-80～25 ，檢測誤差<±3 ，可用于射頻接收模塊封蓋后檢測、系統(tǒng)實時功率及增益監(jiān)測，故障檢測及定位等多種場合，具有良好的應(yīng)用前景。

[1] 拉帕波特.無線通信原理與應(yīng)用[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社,2009.

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[4] 陳邦媛.射頻通信電路[M].2版.北京:科學(xué)出版社,2013.

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[7] Analog Devices.HMC313 datasheet[EB/OL].(2016-08-30)[2016-09-07]http:∥www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/hmc313.pdf.

[8] Triquint.TQP369182 datasheet[EB/OL].(2016-01-25)[2016-09-07]http:∥www.triquint.com/products/d/DOC-A-00001808.

[9] Peregrine Semiconductor.PE42441 datasheet[EB/OL].(2014-03-23)[2016-09-07]http:∥www.psemi.com/pdf/datasheets/pe42441ds.pdf.

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[12] Analog Devices.ADL5513 datasheet[EB/OL].(2008-05-17)[2016-09-07]http:∥www.analog.com/media/en/technical-documentation/evaluation-documentation/ADL5513.pdf.

[13] Analog Devices.AD7091 datasheet[EB/OL].(2016-08-30)[2016-09-07]http:∥www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD7091.pdf.

Power Detection Circuit Design for the RF Front-end Receiver

ZHENG Huayi, SHI Yu

(School of Microelectronics and Solid-state Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)

A power detection circuit for broadband, large dynamic range, and low-loss RF receiver forefront is designed by adding a small-signal coupler and variable gain compensation module to the common power detection circuit. This circuit is capable of detecting the 10～4 000 MHz input power with a dynamic range up to 105 dB and an insertion loss of 1 dB.

RF power detection; large frequency range; low insertion loss; large dynamic range

2016- 08- 28

鄭華溢(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：射頻接收前端電路。石玉(1965-)，男，教授。研究方向：磁性材料和射頻器件與電路。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.07.042

TN83

A

1007-7820(2017)07-149-04