基于二極管檢波的功率測量技術(shù)研究

1、引言

        功率是表征微波信號特征的一項(xiàng)重要參數(shù)。近年來，隨著數(shù)字無線通信、雷達(dá)、廣播電視等通信技術(shù)的迅速發(fā)展，各種調(diào)制技術(shù)所采用微波信號的頻率范圍、功率電平、調(diào)制方式和信號頻譜各不相同，如何根據(jù)具體的應(yīng)用，選擇不同的功率測量方案，從而實(shí)現(xiàn)功率的準(zhǔn)確測量，是電子測試和無線應(yīng)用科研人員必須面對的一個問題。

　　本文在探討微波功率傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論了二極管功率檢波技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)電路，并結(jié)合TD-SCDMA信號的功率測試需求，給出了較為典型的功率測量解決方案。

2、二極管功率傳感技術(shù)

        射頻、微波和毫米波頻段功率測量常采用終端式測量方法[1,2]。終端式功率計(jì)主要包含功率探頭和功率計(jì)主機(jī)兩部分，功率探頭利用某種能量轉(zhuǎn)換裝置將微波功率最終轉(zhuǎn)換為可測的電信號，然后在功率計(jì)主機(jī)測量通道內(nèi)，經(jīng)過模擬信號調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換電路，由CPU和DSP進(jìn)行軟件補(bǔ)償、校準(zhǔn)等一系列處理后，獲得精度可靠、一致性好的測量結(jié)果。

        功率傳感技術(shù)是功率測試儀器的核心，目前已經(jīng)由最初的熱敏電阻式過度到熱電偶式和二極管檢波式。下面分別逐一介紹。

2.1 熱敏電阻式和熱電偶式功率測量技術(shù)

        熱敏電阻式功率探頭是利用溫度變化引起電阻阻值變化的原理工作的，這種溫度變化來源于微波信號在測熱電阻元件上耗散的能量。熱敏電阻功率計(jì)由于測量功率范圍小、測量速度低等原因，已經(jīng)逐漸被二極管式和熱偶式功率計(jì)代替，但由于熱敏電阻功率探頭內(nèi)熱敏電阻所吸收的射頻功率與熱敏電阻上的直流替代功率有相同的熱效應(yīng)，可以認(rèn)為是“閉環(huán)”的，穩(wěn)定性很好，因此在功率溯源方面仍用于功率標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。

　　熱電偶式功率探頭能夠吸收微波熱量并將其轉(zhuǎn)換成不同金屬結(jié)點(diǎn)上的溫差熱電勢，然后由后續(xù)電路處理并最終測得信號的功率值。由于熱電偶式功率探頭的熱電壓正比于冷熱點(diǎn)的溫差，而溫差又正比于輸入的微波功率，故熱電偶式功率計(jì)為真正有效值測量，也就是說輸出直流電壓與輸入射頻功率始終成正比，因此是真正的平均功率檢波器，能實(shí)現(xiàn)包括CW、脈沖調(diào)制、復(fù)雜數(shù)字調(diào)制和多音信號在內(nèi)的多種調(diào)制信號平均功率的測量。但是，熱電偶式功率探頭的動態(tài)范圍只有50dB，最低只能測量-30dBm的功率電平，同時無法進(jìn)行真正的峰值包絡(luò)功率的測量。目前已逐漸被高性能寬視頻帶寬二極管式功率測量儀器所取代。

2.2 二極管檢波式功率測量技術(shù)

        長期以來，整流二極管在微波頻段一直用作檢波器進(jìn)行微波信號的包絡(luò)檢波，進(jìn)行相對功率的測量。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)和微波半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，借助于功率線性校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償、校準(zhǔn)因子等數(shù)據(jù)修正和校準(zhǔn)技術(shù)，使得利用二極管實(shí)現(xiàn)絕對功率的準(zhǔn)確測量成為可能，可實(shí)現(xiàn)大動態(tài)范圍的CW平均功率、調(diào)制信號平均功率和寬帶峰值功率的測量。

        數(shù)學(xué)上，檢波二極管服從于二極管方程

（1）儀器儀表學(xué)報(bào)
 
        其中，i為二極管電流；Is為飽和電流，在給定溫度下為常數(shù)；V為跨在二極管上的凈電壓；α＝q/nkT， q為電子電荷，n是適應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。從式（1）可以看出，正是該級數(shù)的二次及其它偶次項(xiàng)提供了整流作用。對于小信號的整流，只有二次項(xiàng)有意義，從而稱該二極管工作在平方律區(qū)域，即輸出電流或電壓正比于射頻輸入電壓的平方。當(dāng)V高得使四次項(xiàng)不能忽略時，二極管的響應(yīng)便不再處于平方律檢波區(qū)，而是按準(zhǔn)平方律整流，稱之為過渡區(qū)，再往上就到了線性檢波區(qū)。

        圖1為典型二極管檢波器的檢波特性曲線和溫度特性曲線，其平方律檢波區(qū)從噪聲電平開始（一般可從-70dBm開始）一直延伸到-20dBm左右這一區(qū)域，自-20dBm到0dBm為過渡區(qū)，0dBm以上為線性區(qū)。對于普通檢波二極管來說，最大輸入功率一般不能超過+20dBm，否則可能燒毀二極管。由于二極管檢波特性隨溫度變化而改變，且二極管檢波的靈敏度和反射系數(shù)也與溫度關(guān)系密切，因此必須根據(jù)圖1所示的功率、溫度、誤差（即溫度補(bǔ)償系數(shù)）的三維曲面，對測量結(jié)果進(jìn)行修正。

圖1 二極管檢波特性曲線及溫度特性曲線

        現(xiàn)代二極管功率探頭常采用圖2所示的平衡配置雙二極管檢波結(jié)構(gòu)，輸入的射頻信號進(jìn)入隔直流電容Cc和衰減器，再經(jīng)過50Ω負(fù)載匹配后進(jìn)入雙二極管檢波器，兩個檢波器檢波輸出的正負(fù)直流信號通過視頻濾波電容送入前置放大器處理。這種結(jié)構(gòu)能夠消除小信號測量時不同金屬連接所導(dǎo)致的熱效應(yīng)，能抑制輸入信號中偶次諧波造成的測量誤差，提高信噪比。

圖2 雙二極管檢波器組件原理框圖
 
        為了拓寬二極管檢波的動態(tài)范圍，需要利用標(biāo)準(zhǔn)CW源對非平方律區(qū)的檢波測量值進(jìn)行線性校準(zhǔn)和補(bǔ)償，使探頭動態(tài)范圍達(dá)到-70 ~ +20dBm。但是，復(fù)雜數(shù)字調(diào)制信號和脈沖調(diào)制信號不是恒定幅度的CW信號。由于檢波二極管存在檢波電壓的非平方律特性，調(diào)制信號檢波包絡(luò)各點(diǎn)檢波電壓的權(quán)值不一樣，在非平方律區(qū)各點(diǎn)利用檢波電壓求和取得的平均功率誤差很大，因此這種使用CW校準(zhǔn)源進(jìn)行動態(tài)范圍擴(kuò)展的方案，只適用于全動態(tài)范圍內(nèi)的CW平均功率或低電平（小于-20dBm）調(diào)制信號的平均功率測量。

       如果要實(shí)現(xiàn)大動態(tài)范圍平均功率的準(zhǔn)確測量，可以采用隨后介紹的二極管級聯(lián)技術(shù)。

       為了滿足大動態(tài)范圍內(nèi)調(diào)制信號及窄脈沖信號平均功率的測試需求，近年出現(xiàn)了多路徑、多二極管平均功率探頭[2]。其核心思想是利用二極管級聯(lián)技術(shù)向上拓寬平方律檢波區(qū)，并將整個動態(tài)范圍分為多個測量路徑，使每個路徑內(nèi)的二極管堆棧都能工作在平方律區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍內(nèi)平均功率的精確測量，并且無需考慮信號帶寬的限制。其典型原理框圖如圖3所示。
 

圖4 典型峰值功率測量通道原理框圖

        峰值功率測量通道典型原理如圖4所示，二極管輸出的檢波信號首先進(jìn)入低噪聲前置放大器，經(jīng)濾波和帶寬控制后一路進(jìn)入后置放大電路，然后進(jìn)入高速ADC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，另一路進(jìn)入觸發(fā)和精密內(nèi)插電路，通過比較電路產(chǎn)生同步觸發(fā)時鐘信號，最后由DSP或CPU 完成數(shù)據(jù)的補(bǔ)償和信號處理，實(shí)現(xiàn)功率脈沖各種時域參數(shù)[3]的自動測量和統(tǒng)計(jì)分析，并最終顯示給用戶。

        在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高儀器的動態(tài)范圍，常常根據(jù)檢波信號的大小，利用開關(guān)電路將信號進(jìn)行高低量程切換，即將信號分為兩路，分別經(jīng)不同放大電路進(jìn)行處理，或者直接采用大動態(tài)范圍對數(shù)放大電路放大檢波信號，這既保證了小信號的測量靈敏度，又保證了大動態(tài)范圍，最后再由ADC將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳給DSP進(jìn)行量程識別和處理。為了以較低的采樣速率獲得較高的重復(fù)信號測量帶寬，現(xiàn)代峰值功率測量儀器常采用隨機(jī)采樣技術(shù)，利用精密內(nèi)插電路，大大提高了脈沖功率測量的時間分辨率，可進(jìn)行納秒級上升時間和脈沖寬度等時間參數(shù)的測量。

3、復(fù)雜調(diào)制信功率測試的新需求

        得益于半導(dǎo)體和計(jì)算技術(shù)不斷發(fā)展，二極管逐漸成為傳感功率的主要元件，平衡配置的二極管檢波探頭的視頻帶寬可達(dá)100MHz，其技術(shù)已相對成熟，技術(shù)更新日趨減緩。基于此，功率測量的發(fā)展重點(diǎn)集中在對新興數(shù)字調(diào)制信號的測量與分析以及測量設(shè)備的小型化和模塊化上。

        一方面，隨著數(shù)字通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，涌現(xiàn)出大量的數(shù)字矢量調(diào)制技術(shù)[4]，如PSK、8-PSK、GMSK、16QAM、pi/4-DQPSK等，這些信號已經(jīng)逐漸從早期對載波的幅度調(diào)制，過度到對載波相位和幅度的綜合調(diào)制?，F(xiàn)代通信常常采用復(fù)用和多址技術(shù)，在時域上，這些信號的功率包絡(luò)也從簡單的周期性脈沖信號過渡到占空比和脈沖功率同時變化的信號，有的甚至沒有明顯的脈沖包絡(luò)，時域波形與隨機(jī)噪聲非常類似（如CDMA、WLAN 802.11a），并且具有超過50dB的峰均功率比。這些新型調(diào)制技術(shù)對儀器的視頻帶寬、動態(tài)范圍、實(shí)時采樣速率提出了更高的要求，同時要求儀器能夠?qū)崿F(xiàn)多種觸發(fā)功能，從而可以自動識別幀模式信號的有效載荷，并結(jié)合特定的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理方法分析信號的功率特性，如PDF（概率密度函數(shù)）、CCDF（互補(bǔ)累積分布函數(shù)）等統(tǒng)計(jì)分析工具。

        以TD-SCDMA為例，TD-SCDMA是我國提出的一種移動通信標(biāo)準(zhǔn)，該技術(shù)綜合應(yīng)用了頻分、時分和碼分多址技術(shù)，其時分技術(shù)允許基站和移動終端分時使用同一個頻帶，碼分多址技術(shù)允許16個用戶共享一個時隙，其典型時域波形如圖5所示。圖中3個有效時隙的功率電平和峰均功率比各不相同，并且各個時隙的功率電平表現(xiàn)為類似噪聲的信號，因此在測量TD-SCDMA信號時，必須能夠準(zhǔn)確測量各個時隙的時間寬度、上升時間、下降時間，各時隙的峰值功率、平均功率和峰均功率比，并利用統(tǒng)計(jì)分析功能檢查各有效時隙是否存在元件非線性引起的削波或壓縮現(xiàn)象。在測量此類信號時，必須保證30MHz以上的視頻帶寬，采用100MSPS以上的采樣率和大于50dB的動態(tài)范圍，采用時間門或標(biāo)記功能對有效載荷進(jìn)行獨(dú)立的功率測量和功率統(tǒng)計(jì)分析，這樣才能實(shí)現(xiàn)對數(shù)字調(diào)制信號的正確測量和分析。

圖5 TD-SCDMA功率包絡(luò)時域波形

        微波功率測量儀器在向?qū)拕討B(tài)范圍、大視頻帶寬和高采樣速率發(fā)展的同時，還逐漸向小型化和模塊化方向發(fā)展。目前， VXI微波功率測量模塊已經(jīng)獲得普遍應(yīng)用，PXI功率測量模塊也已經(jīng)進(jìn)入市場。由于部分探頭內(nèi)部采用高穩(wěn)定的直流參考電路，已經(jīng)不需要校準(zhǔn)源進(jìn)行線性校準(zhǔn)，這使得基于USB接口的平均功率探頭開始出現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)方案不需要功率計(jì)主機(jī)，無需頻繁利用校準(zhǔn)源進(jìn)行校準(zhǔn)，功率探頭直接或經(jīng)過適配器連接到計(jì)算機(jī)、PDA或其他測量儀器的USB主機(jī)接口，主機(jī)利用內(nèi)部主控軟件即可實(shí)現(xiàn)功率顯示和參數(shù)設(shè)置，這大大縮減了測試步驟，非常利于搭建自動測試系統(tǒng)。相信隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，具有多種觸發(fā)功能的USB峰值功率探頭和具有顯示和小鍵盤輸入的手持式功率測量設(shè)備也將出現(xiàn)，這無疑會極大方便現(xiàn)場測試應(yīng)用和測試系統(tǒng)的組建。

4、結(jié)束語

        二極管功率檢波具有較好的靈敏度和動態(tài)范圍，并且能夠快速響應(yīng)信號的包絡(luò)變化，已經(jīng)逐漸取代熱敏電阻和熱電偶成為傳感微波功率的主要手段?，F(xiàn)代峰值功率測量儀器采樣速率可達(dá)到100MSPS，通道帶寬達(dá)到30MHz，最小可測脈沖寬度達(dá)10ns，動態(tài)范圍一般超過50dB，甚至達(dá)到60dB[1,5]，可進(jìn)行多種脈沖功率參數(shù)的測量，如峰值功率、平均功率、頂部幅度、底部幅度[3]、上升時間、下降時間、脈沖寬度、占空比、脈沖重復(fù)頻率等。

        在實(shí)際應(yīng)用中，為了準(zhǔn)確測量射頻和微波功率，必須在掌握被測信號特性和測試需求的基礎(chǔ)上，了解功率探頭檢波特性、主機(jī)測量通道及數(shù)據(jù)分析和處理能力。特別是在數(shù)字矢量調(diào)制信號的功率測量應(yīng)用中，必須根據(jù)信號頻率范圍、功率范圍、功率電平、信號的頻譜功率總量以及調(diào)制形式等因素，在明確測量不確定度的基礎(chǔ)上，選擇恰當(dāng)?shù)?strong>功率測量解決方案。