一种宽带功放输出电平值精确检测方法

冯昕罡,徐　平

(西安导航技术研究所 通信事业部,陕西 西安　710068)



一种宽带功放输出电平值精确检测方法

冯昕罡,徐平

(西安导航技术研究所 通信事业部,陕西 西安710068)

摘要文中基于理论分析,提出了一种宽频带高精度功率检测方法。通过使用测试仪器进行简单的测量,建立实际电路中各工作频率待测功率值与检测电压值之间的计算关系,克服电路器件的参数随频率变化的问题,进而提高对宽带功率信号的检测精度。实测结果表明,对于40～56 dBm电平值范围的功放输出信号,检测值与实测值误差<0.8 dB。

关键词定向耦合器;功率检测;对数检波器

功放[1]是通信、雷达等电子设备发射机中必不可少的组成部分,为提高设备发射机自检、保护以及功率控制等功能的有效性和可靠性,通常功放输出信号电平值检测是发射机设计重点考虑因素之一。目前基于定向耦合器[2]的功率检测电路,由于其电路简单、体积小等优点,应用广泛[3-5]。本文针对这种检测电路进行了理论分析,提出了一种宽带功放输出信号电平值精确检测的方法。

1检测电路理论分析

典型的发射机框图如图1所示,其中采用定向耦合器将功放输出的极小部分能量耦合输入至对数检波器进行检波,完成对发射信号电平值的检测。

图1中,pa为功放输出的功率值,Γ1为耦合器输出端口与后级电路的反射系数,Pt为发射机天线端口实际发射功率,根据定向耦合器的耦合系数C、定向系数D及插损值IL可按照式(1)[6-7],计算出耦合器耦合出的功率值Pj

(1)

根据文献[8]中的计算结果可知,对于典型定向耦合器,当后级电路驻波系数为2.5时,电平值检测的最大变化量为0.73dB。如图1所示,在耦合器后设置隔离器,可大幅度降低反射功率输入值,即使在后级电路出现严重失配情况下,仍然可保证反射功率只对功率检测精度造成微小的影响,因此式(1)可简化为

(2)

考虑功放输出端口到天线端口之间耦合器、隔离器及滤波器等电路级联后的插损值总和为Δ时

(3)

对数检波器具有线性度高、温度特性稳定、动态范围大等特性,应用较广泛,其输出的检测电压值和待测信号电平值基本呈线性关系,如式(4)所示

Vj=S×(10log(Pj)+A)

(4)

式(4)中,S参数为对数检波器的斜率,单位dBm/V;而参数A为一个固定值,将式(3)带入式(4)中,经过推算可得

图1　发射机示意框图

(5)

由于耦合器耦合系数C,电路插损值Δ是随频率变化的变量,甚至检波的斜率参数同样随频率变化,因此由式(5)可得出,对于相同检测功率,由于信号频率不同,则检测的电压值将不同,这一影响在工作频带较宽,发射信号频率捷变的系统中更为明显。

使用仪器对某型设备发射机进行了实际测试,该设备发射机功率检测电路按图1所示框图设计。当该发射机发射50dBm电平值时,如图2所示,在f0±60MHz的频率范围内,检测电压值的变化>100mV,若按照对数检波器斜率为25dBm/mV计算,功率检测值的误差将>4dB。

图2　发射功率为50 dBm时检测电压值随频率变化的曲线

2检测方法的设计与实现

固定的发射机电路,对于某一频率fn,耦合器的耦合系数C与电路差损值Δ等参数是确定的,但当发射机电路研制完成时,由于存在加工误差、射频寄生参数以及器件之间并不是完全匹配等因素影响,发射机各级电路叠加后的实际插损值、耦合器的实际耦合系数难以通过仿真、测量准确获取。

对于固定频率fn,式(5)可简化为

10log(Pt)=M×Vj+N

(6)

式(6)中,M和N为固定值,若使用测试仪器测量出两组相对应的检测电压值和功率值:Vj1、Pt1和Vj2、Pt2,则可计算出M和N,如式(7)和式(8)所示

(7)

(8)

将式(7)和式(8)计算所得M和N,带入式(6)后,对于固定频率点fn,根据任意检测电压值Vj,可计算出功率值Pt。对于上述某型设备,搭建试验环境,如图3所示。

图3　试验环境框图

通过计算机控制使设备工作在f1频率,分别输出56dBm、40dBm电平值,这两个电平值可由功率计准确测量,同时通过通信协议计算机分别读取此时发射功率对应的检测电压值Vmax和Vmin,然后通过计算机将这两个值写入设备控制电路中的Flash中,按照上述方法测试,可在Flash中建立所有工作频点的Vmax和Vmin值的查找表。

当设备发射功率时,发射机上位机实时将发射信号的频率传输至FPGA,FPGA根据传输的频率信息,查找Flash中相应频率点的Vmax和Vmin值,然后根据式(6)、式(7)和式(8)可计算出当前检测电压值对应的发射功率值。

基于上述方法,在1 000MHz和1 200MHz两个工作频点上设备发射40～56dBm电平值,如图4所示,实际测量的功率值与检测值误差<0.8dB,具有较高的精度。

图4　检测功率值与实际发射功率值误差曲线

3结束语

本文提出的宽频带功放输出信号电平值检测方法,主要解决了由于实际电路中耦合器、滤波器等器件的参数随频率变化难以准确计算或者测量,造成宽带功放信号输出电平值无法准确检测的问题。该检测方法实现简单,通过使用一般的测试仪器进行简单的测量,可建立实际电路中各工作频率待测功率值与检测电压值的之间的计算关系,利用功放的FPGA数字控制电路进行简单的编程,可完成检测方法中涉及的相关计算。在实际应用中,对于40～56dBm电平值范围的功放输出信号,检测值与实测值误差<0.8dB,证明了该方法的有效性。

参考文献

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

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

[3]曹乃胜.用于高功率微波测量的孔耦合定向耦合器研究与设计[D].成都:成都电子科技大学,2008.

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

[5]王斌,赵伟刚.发射机驻波保护电路设计[J].电子信息对抗技术,2008,23(1):62-64.

[6]宋大伟.波导定向耦合器的设计研究[D].成都:电子科技大学,2013.

[7]周萌.带状线定向耦合器的分析与设计[D].西安:西安电子科技大学,2009.

[8]柯林,章国豪,冯卫峰.关于功率放大器中功率检测在负载失配下的研究[J].移动通信,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

中图分类号TN622

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)04-144-03

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.038

作者简介:冯昕罡(1984—),男,工程师。研究方向:大功率功放及射频电路设计与实现。

收稿日期:2016- 01- 08