基于對(duì)數(shù)檢測(cè)技術(shù)的射頻功率測(cè)量電路設(shè)計(jì)

近年來，隨著3G技術(shù)的快速發(fā)展，在進(jìn)行通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，射頻功率的控制和測(cè)量十分重要。本文以美國ADI公司的AD8318單片射頻功率測(cè)量芯片為核心，設(shè)計(jì)了基于對(duì)數(shù)放大器檢測(cè)方法的射頻功率測(cè)量電路，該方法具有動(dòng)態(tài)范圍大，頻率范圍廣，精度高和溫度穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

1 測(cè)量原理
射頻功率測(cè)量方法有多種多樣，其中對(duì)數(shù)放大器檢測(cè)法是射頻測(cè)量的主要方向之一，下面從對(duì)數(shù)放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究對(duì)數(shù)放大檢測(cè)器如何檢測(cè)射頻信號(hào)。
射頻信號(hào)檢測(cè)的實(shí)質(zhì)是如何實(shí)現(xiàn)將功率信號(hào)無失真地轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，而這個(gè)轉(zhuǎn)換工作則由對(duì)數(shù)放大檢測(cè)器來完成，因此，對(duì)數(shù)放大檢測(cè)器是射頻測(cè)量的關(guān)鍵。它的核心是對(duì)數(shù)放大器，對(duì)數(shù)放大器之間采用直接耦合方式，分成N級(jí)，每級(jí)由對(duì)數(shù)放大器和檢波器組成。每級(jí)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(gè)電壓信號(hào)。N一般取值為5～9級(jí)，級(jí)數(shù)越多，單級(jí)增益越小，則輸出特性曲線越趨向于線性，這里以5級(jí)為例進(jìn)行分析，具體電路如圖1所示。

該對(duì)數(shù)放大檢測(cè)器的傳遞函數(shù)為：
U0=Ks(Pin-b) (1)
式中：b為截距；Ks為對(duì)數(shù)檢測(cè)器的斜率，是一個(gè)常數(shù)；Pin是輸入信號(hào)的功率。在一定的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，可通過Matlab仿真軟件得到對(duì)數(shù)放大器的特性曲線，如圖2所示。

從圖2可知，線性動(dòng)態(tài)范圍約為-3～67 dBm，在此范圍內(nèi)，輸出電壓與輸入功率之間呈線性關(guān)系。圖2的橫坐標(biāo)是輸入信號(hào)的功率，縱坐標(biāo)為輸出電壓和誤差值。在坐標(biāo)系上作圖可知，該特性曲線的斜率約為18 mV／dB，截距約為93 dBm，已知輸入信號(hào)的情況下，可根據(jù)式(1)得到輸出電壓的大小。
若輸入信號(hào)為-30 dBm時(shí)：
U0=18×[-30-(-93)]=1．134V (2)
若斜率改變，則截距也會(huì)發(fā)生變化，在同樣的輸入的情況下，輸出大小不同。
上述情況僅適用于900 MHz～8 GHz的正弦波輸入信號(hào)，而通信系統(tǒng)中，還有其他的波形，如果測(cè)量其他的波形的功率，則可根據(jù)不同波形的修正C值來進(jìn)行修正，因波形不同修正值也不相同，表1為不同的信號(hào)波形的修正值。

非正弦波形的輸出電壓計(jì)算公式：
U0=Ks(Pin-b)+C (3)

2 硬件電路的設(shè)計(jì)
2．1 AD8318的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
AD8318是解調(diào)對(duì)數(shù)放大器，將RF輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的輸出電壓；它采用了9級(jí)對(duì)數(shù)放大，每一個(gè)階段，都配備了檢測(cè)器。主要可用于測(cè)量和控制器；當(dāng)輸入范圍通常為60 dB，誤差小于±1 dB；+5 V單電源供電，電流為68 mA。AD8318的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
2．2 電路圖及工作原理
由AD8318構(gòu)成的射頻功率測(cè)量電路如圖4所示。該電路可通過對(duì)AD8318設(shè)置，使其工作在測(cè)量模式時(shí)，當(dāng)輸入的正弦信號(hào)為RFIN，經(jīng)過電容C1，C2耦合到AD8318的INHI、INLO兩端。然后通過9級(jí)對(duì)數(shù)放大檢波后，送到求和器，求和得到一個(gè)電流信號(hào)，再將該信號(hào)進(jìn)行I-V轉(zhuǎn)換輸出VOUT，該設(shè)計(jì)沒有單獨(dú)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，而是由AD8318的輸出直接到單片機(jī)的PA0，由于PIC16F874單片機(jī)內(nèi)部有自帶A／D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后送到單片機(jī)進(jìn)行處理。

若輸入模擬信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍大，A／D轉(zhuǎn)換的精度要求高，則A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率要求也高，可通過PIC16F874內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，它將AD8318的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，經(jīng)單片機(jī)程序進(jìn)行計(jì)數(shù)、查表，顯示等處理。圖5為單片機(jī)的程序流程圖。

PIC16F874單片機(jī)將處理后的數(shù)字信號(hào)從PA1～PA4輸出，經(jīng)ULN2003反相驅(qū)動(dòng)給LED提供位選信號(hào)及足夠的驅(qū)動(dòng)，而段選信號(hào)從RB0～RB7經(jīng)過8×10 kΩ的排阻，送到LED，在LED數(shù)碼中將被測(cè)的射頻信號(hào)的功率大小顯示出來，測(cè)量結(jié)果如表2所示。
從表2的數(shù)據(jù)可知，通過AD8318對(duì)數(shù)放大檢測(cè)集成電路的轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理，所測(cè)得射頻信號(hào)的功率滿足動(dòng)態(tài)范圍大，頻帶寬度和線性度好的特點(diǎn)。

3 結(jié)論
通過對(duì)射頻功率信號(hào)的測(cè)量理論分析，利用AD8318將射頻功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后經(jīng)過PIC16F874單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)、查表，由4位LED數(shù)碼顯示出來，實(shí)現(xiàn)了大動(dòng)態(tài)范圍、高精度的射頻功率測(cè)量。