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(多图) 用对数放大器实现射频功率控制

Eamon Nash?? 美国模拟器件公司?? 2005年08月07日 ?? 收藏0

  几乎所有的射频发射机都含有测量和控制发射功率的电路。系统需求多种多样。功率控制电路可能是一个简单的低动态范围二极管检测器,它的目的用来检测诸如天线故障导致电压驻波比突然增大等突发事件。既然如此,只需要粗略测量反射功率。然而,对于一个功率在大动态范围内变化的系统来说(比如GSM基站发射机),这些设备则要求射频检测器测量的误差小于±1dB,输入功率范围至少60dB。本文将探讨控制射频功率的多种方法,并且主要介绍对数射频功率检测。


  功率测量要求
  大多数严格的射频发射标准均要求发射功率不超过期望值的±1dB或±2dB。比如GSM系统,一个47dBm发射机(50W)满功率发射时传送的功率值在45dBm~49dBm之间(极端情况下为44.5dBm ~ 49.5dBm之间)。
  测量与控制功率的选择
  图1示出一些通常使用的体系结构选择,它用于测量和控制发射功率。图1示出闭环模拟控制环路。从功率放大器到天线的输出功率以定向耦合的方式引入。定向耦合器的耦合因数典型值在10dB~30dB范围。为了减少检测器检测到的功率,通常要增加一些附加的衰减。这样测量所得的结果与设置点电压比较,其差值驱

动积分器(通常是称其为误差放大器)。

图1示出一些通常使用的体系结构选择它用于测量和控制发射功率


  当功率放大器的输出功率与设置点电压相符合时,放大器输出误差将不再升高或降低。应当注意,误差放大器不必再驱动放大器的偏置控制。若放大器具有固定增益,并且误差放大器用于控制中频可变增益放大器,那么系统将有效的工作。
  上述功率控制方法(我们指的是从检测器的角度作为控制器模式)在需要快速控制功率的应用中是非常有用的。最普通的例子莫过于时分多址(TDMA)系统,比如GSM(全球移动通讯系统),PDC(个人数字蜂窝)或PHS(个人手持电话系统)。在这些场合,功率以精确的同步短脉冲串方式发射出去。这种快速“本地”控制只能允许功率有一点上升或下降的变化。如果用对数检测器,功率则可控制在很大的动态范围内(典型值为40 dB~60dB)。
  图1b示出检测器输出经过数字化后的功率控制环路。DSP中的软件或微控制器根据测量结果决定输出功率,然后用模数转换器调整输出功率。这种设计没有考虑前面所说的快速控制。其结果是,在持续功率发射的场合,这种设计比较有效,CDMA、WCDMA和TD-SCDMA蜂窝系统就是很好的例子。数字化控制考虑到了附加在环路上的额外校准。比如,功率检测器的特性漂移,尤其是温度漂移(具有良好的可重复性)。如果系统含有温度传感器,则可实现补偿算法。
  图1c示出含有辅助接收器的发射机,即发射的信号经过采样和混频变为基带信号。辅助接收器的使用在高功率放大器的线性方案中是很普遍的,例如,前馈和给发射频谱特性算法提供反馈的数字预矫正。在这种设备中,发射功率的测量变得非常容易。只要接收器的增益不再随温度和频率变化而发生较大的变化,功率的测量就会非常准确。
  图1d示出交替功率控制结构,它用于某些手持设备。这种结构假设发射功率根据接收功率来决定。例如,接收功率减少,那么发射功率将增加。这是一个慢速并且不怎么精确的系统。然而,它是一种在链接开始时设置功率非常有用的方法。
  通常,当功率放大器达到或接近满功率时,射频功率测量的精度非常关键。这也是人们所期望的。比如,100W(50dBm)发射机中,功率测量产生电压为-1dB的误差将导致发射功率变为51dBm(126W)。这就迫使功率放大器能够超出上限的25%才可确保安全工作(要达到这个要求,需要功率放大器有更大体积,成本也会很高)。然而在低功率值上,输出功率的公差仅需要限制在标准值以内即可(该差值在低功率时往往非常不精确)。
  上述应用中,输出功率检测器的温度稳定性致关重要。通常,采用二极管来实现温度稳定性。二级管检测器在超过一定功率后会有较好的温度稳定特性(通常输入功率在+15dBm范围内具有良好的性能),但这样它的动态范围有限(20dB~30dB),并且检测器在低功率时有性能有严重的漂移。


  采用对数放大器的功率检测器
  当系统需要测量和控制功率时,解调对数放大器越来越成为一种普遍的选择。图2示出AD8318在2.2GHz时的传递函数,它是美国模拟器件公司一种新的对数放大器,频谱从1MHz~8GHz。图中示出了输出电压与输入功率的两条曲线,以及输入功率和校准误差。
  当输入功率从-65dBm~0dBm变化时,输出电压从2V变化至0.5V。


图2示出AD8318在2


  线性与误差的计算
  即使检测器在出厂前经过校准,为了达到对数检测器规定的精度,仍然需要对其进行校准。再看图1,我们会发现有很多信号的不确定性影响着对数放大器。信号跟踪的丢失、定向耦合器耦合因素中局部之间的变化性及衰减器很容易产生1dB或更多的不确定性。


同图2一样的测量数据


  推荐的校准方法是设置功率放大器输出为两个或两个以上接近的


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对数放大器? 射频? 功率控制?

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