射频接收前端功率检测电路的设计

郑华溢，石 玉

(电子科技大学 微电子与固体电子学院,四川 成都 610054)



射频接收前端功率检测电路的设计

郑华溢，石 玉

(电子科技大学 微电子与固体电子学院,四川 成都 610054)

针对射频接收前端频段宽、大动态范围与低损耗需求的特点，文中在常用功率检测电路基础上增加了小信号耦合器与可变增益补偿模块，设计了一种用于射频接收前端的功率检测电路，该电路能够实现10～4 000 MHz射频信号的功率检测，动态范围可达105 dB，主路损耗仅1 dB。

射频功率检测；宽频带；低损耗；大动态范围

在无线通信系统中[1]，射频接收机中一般包含多个增益模块对接收到的小信号进行放大，而各增益模块是否正常工作直接影响到整个接收系统的工作状况。因此，在射频接收机中对链路是否工作正常的检测尤为重要。在现有的简单检测方式中常见的是有源器件的电压、电流检测[2]。但在实际应用中经常存在电压、电流正常但是链路器件工作不正常的状况。同时，目前射频接收机多采用多腔与多模块方式设计，维护时可能涉及多个屏蔽盒与盖板，电压或电流检测正常时出现的故障给故障定位与维修带来了较大困难。而采用链路分段增益检测的方式因为其检测准确度高，链路定位准确，可维护性好等特点已被广泛用于射频接收机中[3]。

增益检测的基础即是信号功率检测，两个及以上的功率检测模块可构成增益检测电路。在常用的超外差式接收机中，射频输入级因其存在输入频带宽、动态范围大、损耗对系统的噪声系数影响大等特点[4]，对射频输入级的功率检测最为困难。本文从射频输入级的实际需求出发，采用宽带小信号耦合器+宽带放大器+对数检波器+ADC芯片的结构设计了一款用于10～4 000 MHz的射频接收前级的功率检测模块电路，具有主路损耗小、频带宽、动态范围大等特点。

1 电路结构设计

图1 功率检测电路原理框图

2 电路设计

本设计的射频接收前端功率检测电路的原理图如图2所示。

图2 功率检测模块电路原理图

2.1 宽带小信号耦合单元

射频功率检测常用功率分配方式为Y型电阻功分器[5]，但因其存在插入损耗大的问题，无法应用在射频接收前级电路。本设计的宽带小信号耦合单元将一小部分射频输入功率耦合到功率检测链路，同时保证大部分信号功率进入接收机主路，以减小接收机前端的插入损耗，从而减小接收系统的噪声系数。

图3 耦合单元原理图及ADS仿真结果

设计采用如图3(a)所示的电阻耦合单元，使用ADS软件对其进行仿真可得图3(b)的仿真结果[6]。

从图3可知，此小信号耦合单元的主路损耗约为1 ，信号检测对端能够耦合-19.2 dB的输入信号，端口回波损耗均在-19 dB以下，能够满足低损耗、宽频带的应用需求。

2.2 增益补偿单元

增益补偿单元为图2中两个SP4T开关及中间部分，为补偿检测信号的损耗并提高系统的动态范围，本单元选用不同放大器或直通可提供3种不同增益的补偿链路，通过开关来进行控制切换。小信号时切换到由ADI公司的HMC313[7]与Triquint公司的TQP369182[8]两个宽带放大器构成的G1路，提供较高的增益补偿；大信号时切换到直通通路G3路，不需进行增益补偿；上电默认及一般功率情况均通过单个HMC313放大器构成G2路来补偿耦合损耗，具体算法见控制单元的算法分析。

HMC313与TQP369182均为宽带放大器，能够应用于10～4 000 的频率，同时也具有较高的增益平坦度，减小了对未知频率信号进行功率检测的误差。开关则选择了Peregrine Semiconductor公司的PE42441型1分4开关[9]，可用于DC-6 GHz频段，插损<1 dB，能够满足设计应用需求。

2.3 对数检波单元

对数检波方法因其具有良好的线性、温度稳定性与高动态范围被广泛应用于单载波信号的功率测量[10]。

图4 对数检波器原理框图

对数检波器的原理如图4所示，其核心为对数放大器，对数放大器之间采用直接耦合方式，分成N级，每级由对数放大器和检波器组成。每级的输出送到求和器，由求和输出经低通滤波器后得到一个电压信号。N一般取值为5～9级，级数越多，单级增益越小，则输出特性曲线越趋向于线性。

对数检波器的传输函数为

UO=KS(Pin-b)

(1)

其中，b为截距；KS为对数检测器的斜率，是一个常数；pin是输入信号的功率[11]。

设计以ADI公司的对数检波器芯片ADL5513[12]为核心构建对数检波单元。由其数据手册可知ADL5513可用于10～4 000 MHz的射频信号功率检测，输出电压为0.4～2.1 V，线性动态范围可达-65～5 dBm，适合用于宽带射频信号的功率检测。同时可知检波参数Ks为21 mV/dB，截距为-88 dBm，通过作图软件得到ADL5513的扩展检波曲线图，如图5所示。

图5 ADL5513扩展曲线图

因此，可以得到ADL5513的传输函数为

UO=21[Pin-(-88)]

(2)

式中，Pin单位dBm；UO为ADL5513输出电压，单位mV。已知输出电压后即可通过式(2)即可计算出ADL5513对数检波单元的射频输入功率。

2.4 ADC单元

ADC单元将检波得到的电压信号通过采样转换为数字信号再通过SPI通信传递给控制模块。本次设计选用ADI公司的ADC芯片AD7091，通过数据手册可知其输入电压范围为0～VDD，芯片供电VDD取2.5 V完全能够满足ADL5513的0.4～2.1 V输出要求[13]。同时AD7091为12位ADC芯片，将其输入范围配置为0～2.5 V，则其LSB大小为0.61 mV，考虑ADL5513的检波斜率为21 mV/dB，可通过简单计算得出数字分辨率约为0.03 dB/LSB，此较高分辨率能够满足功率检测的精度要求。

2.5 控制单元与算法

增益补偿具体的算法流程图如图6所示，默认使用G2路可以检测约-60～8 dBm的射频输入信号；当判断为大信号时切换G3路直通路，可以检测最大25 dBm的射频信号；当判断为小信号时，切换G1路高增益补偿路，最小可以检测约-81 dBm的射频信号。因此，整个电路模块具备了检测-80～25 dBm的射频输入信号功率的能力，具有105 dB的超大动态范围，能够满足多数射频接收机输入级的功率检测需求。

图6 增益补偿算法流程图

3 电路测试及分析

为测试此功率检测电路的性能，依照图2的电路设计了一款功率检测实验测试电路放置于射频机中，并与接收机控制单元整合。采用此功率检测电路来测试AV1442信号源与20 dB固定衰减器的输出功率，输出功率范围为-80～10 dBm，并以Agilent的频谱分析仪N9010A测得的功率为标准进行比较，测试结果如表1所示。

表1 功率检测模块电路实验测试结果

由测试结果可知，此功率检测电路的检测误差均在±3 dB以内，由于计算增益补偿时采用了放大器、开关的中间值，对数检波器对不同频率呈现出不同的截点及斜率等因素，导致整体误差的存在。此外，由于所用信号源无法输出15 dBm以上的大信号，故无法进行动态范围上限25 dBm信号的检测实验，本电路理论动态范围可达105 dBm，后续可通过增加放大器等手段进行补充验证。

4 结束语

本文采用宽带电阻小信号耦合电路、可调增益补偿电路、对数检波芯片ADL5513与ADC芯片AD7091设计了一个用于射频接收机输入级的功率检测电路，使用频率范围为10～4 000 ，检测功率范围理论上可达-80～25 ，检测误差<±3 ，可用于射频接收模块封盖后检测、系统实时功率及增益监测，故障检测及定位等多种场合，具有良好的应用前景。

[1] 拉帕波特.无线通信原理与应用[M].2版.北京:电子工业出版社,2009.

[2] 俞志根.传感器与检测技术[M].北京:科学出版社,2007.

[3] 朱辉. 实用射频测试和测量[M].3版.北京:电子工业出版社,2016.

[4] 陈邦媛.射频通信电路[M].2版.北京:科学出版社,2013.

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[6] 徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京:电子工业出版社,2009.

[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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[11] 市川裕一,青木胜.高频电路设计与制作[M].卓圣鹏,译.北京:科学出版社,2006.

[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

郑华溢(1992-)，男，硕士研究生。研究方向：射频接收前端电路。石玉(1965-)，男，教授。研究方向：磁性材料和射频器件与电路。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.07.042

TN83

A

1007-7820(2017)07-149-04