AN-1040: RF功率校准提高无线发射机的性能

简介

在设计无线发射机时,射频(RF)功率的测量和控制是一个关键的考虑因素。高功率RF功率放大器(PA)极少在开环模式下工作(也就是说,天线功率不能以某种方式进行监控)。但是,有关发射功率的法规要求、网络鲁棒性以及需要与其它无线网络共存等外部因素,都要求对发射功率进行严格控制。除了这些外部要求以外,精确的RF功率控制可以提高频谱性能,并且节省发射机功率放大器的成本和功耗。

为了调节PA的发射功率,可能需要在出厂时对PA的输出功率进行某种形式的校准。根据复杂度和有效性,存在着多种校准算法。本应用笔记介绍如何实现典型的RF功率控制方案,并且将RF检波器的多种工厂校准算法的效果和效率与线性dB传递函数进行比较。

集成功率控制的典型无线发射机

如图1所示,这是一个典型的无线发射机框图,集成了发射功率测量和控制功能。通过采用定向耦合器,将PA的一小部分信号反馈到RF检波器。在这种情况下,耦合器的位置一般靠近天线,位于双工器和隔离器之后。因此,在校准过程中也会考虑与双工器和隔离器相关的功率损耗。

图1.集成发射功率控制的典型RF功率放大器(集成的RF功率检波器能够提供有关当前传送功率水平的连续反馈信息。外部RF功率计可以与RF功率检波器结合使用,对发射机进行校准。)

定向耦合器的耦合系数典型值为20 dB~30 dB,因此耦合器的反馈信号比天线的输入信号低20 dB~30 dB。以该方式耦合信号功率将会导致发射路径中产生一些功率损失。该定向耦合器插入损耗通常为零点几dB。

在无线基础设施应用中,最大发射功率通常为30 dBm~50 dBm (1W~100W),对于测量信号的RF检波器而言,定向耦合器的信号仍然有些过强。因此,在耦合器和RF检波器之间通常需要进行信号衰减。

现代RMS和对数RF检波器的功率检测范围约为30 dB~100 dB,并且输出相对温度和频率的变化是稳定的。在大部分应用中,检波器的输出通过模数转换器(ADC)转化为数字量,使用存储在非易失存储器(EEPROM)中的校准系数,可以将从ADC获得的数字代码转换为发射功率读数。将此功率与设置功率电平进行比较。如果在设置功率和测得的功率之间存在任何差异,则应进行功率调节。功率调节可以在信号链中的多个位置进行。可调节驱动无线电的基带数据的幅度,或调节可变增益放大器(在IF或RF端),也可更改HPA的增益。通过这种方式,增益控制环路对其自身进行调节,并使发射功率保持在所需限值范围内。需要注意,电压可变衰减器(VVA)和PA的增益控制传递函数通常是非线性的,因此,由给定增益调节获得的实际增益变化是不确定的,所以需要一种控制环路,它能够提供有关所做更改的反馈信息,以及对后续重复操作过程的指导信息。

需要出厂校准

在之前描述的典型无线发射机系统中,几乎没有任何元件能够提供精确的绝对增益精度特性。假设我们需要达到±1 dB的发射功率误差。PA、VVA、RF增益模块以及信号链路中其它元器件的绝对增益通常会随器件的不同而变化,致使输出功率的误差明显高于±1 dB。此外,随着温度和频率的变化,信号链的增益也会进一步变化,因此,有必要连续地监测和控制发射功率。

输出功率校准可定义为将外部参考源的精度传递到要校准的系统中。在执行校准时,需要断开天线的连接,将其更换为外部测量参考源,如RF功率计,如图1所示。这样,就可以将精密外部功率计的精度传递到发射机的集成功率检波器。校准过程还需要设定一个或多个功率电平,通过功率计获取读数,通过RF检波器获取电压,并且将所有这些信息存储在EEPROM中。然后,将功率计移除,重新连接天线,发射机将能够精确地调节自身的功率。当放大器增益和温度、发射频率和所需输出功率电平等参数发生变化时,经校准的板载RF检波器将用作具有绝对精度的内置功率计,它将确保发射机的发射功率始终维持在容限值范围之内。

“校准RF功率控制环路”部分描述了出厂校准过程。首先,必须考察典型RF功率检波器的特性。系统RF检波器在温度和频率范围内的线性度和稳定性,会极大地影响校准程序的复杂性和可实现的校准后精度。

RF检波器传递函数

图2所示为具有温度漂移的对数响应RF检波器(对数放大器)的传递函数,为便于说明,图中按比例进行了放大。对数放大器传递函数是线性dB函数,可以使用简单的一阶方程在其线性工作范围内进行建模。图中显示三条曲线,即在+25°C、+85°C和–40°C条件下输出电压与输入功率的关系曲线。在+25°C条件下,检波器的输出电压范围约为1.8 V(-60 dBm输入功率时)至0.4 V(0 dBm输入功率时)。传递函数曲线与上面的假想直线非常接近(被传递函数曲线覆盖)。尽管该传递函数仅在曲线两端偏离该直线,但可以注意到,在-10 dBm和-5 dBm功率电平之间也呈现出非线性。

图2.具有温度漂移的对数响应RF功率检波器的传递函数(VOUT与PIN),为便于说明,这里按比例进行了放大。

通过快速的计算,该检波器的斜率约为–25 mV/dB,也就是说,输入功率的1 dB的变化将导致输出电压的25 mV的变化。在动态范围的线性部分,斜率恒定不变。因此,尽管在-10 dBm附近可以观察到非线性略微下降,但是我们仍可以使用以下方程对该传递函数在25°C下的特性进行建模:

equation1

其中截距是直线延长线与x轴相交的点(请参见图2)。当斜率和截距已知,并且测量出检波器的输出电压时,通过改写上面的方程可计算出未知RF输入,如下所示:

equation2

因此,使用这个简单的一阶方程,可以对检波器的传递函数进行建模。从校准的角度来看,由于允许在校准过程中通过利用和测量两个不同的功率电平来建立检波器的传递函数,因此这个方程很有用。

下面考虑该假想的检波器随温度的变化特性。当输入功率为-10dB时,可以注意到,在环境温度为−40°C或+85°C时,输出电压的变化约为100 mV。通过我们之前对斜率(–25 mV/dB)的计算,这相当于测得的功率变化了±4 dB,这在大部分实际系统中是不可接受的。事实上,我们需要一种传递函数随温度的漂移非常小的检波器。为确保在环境温度下执行的校准程序在温度变化时仍然有效,应允许发射机在环境温度下进行出厂校准,以避免在高温和低温环境下反复执行昂贵和耗时的校准程序。

如果发射机是频率捷变的,并且在指定频带内需要在多个频点发射信号,那么我们还必须考虑检波器的频率相关特性。理想情况下,必须使用在指定频带内的响应比较稳定的RF检波器。使用具有平坦频率响应的检波器,就可以在单个频率下(通常在中频带下)校准发射机,并且校准过的发射机在频率变化时变化很小,能够保证精度。

表1列出了ADI公司各种RMS和对数RF功率检波器的检波范围和温度稳定性。

表1.RMS和对数RF功率检波器
器件 描述 输入频率(GHz) 输入范围(dB) 温度漂移(dB) 电源电压,VS (V) 电源电流,ISY (mA)
HMC1020 线性dB RMS检波器 0至3.9 72 ±0.75 5 55
LT5581 线性dB RMS检波器 0.01至6 40 ±1 2.7至5 1.4
LTC5583 双通道线性dB RMS检波器 0.04至6 60 ±0.5 3.3 80.5
ADL5902 线性dB RMS检波器 0.05至9 65 ±0.5 5 73
ADL5904 线性dB RMS检波器 0至6 45 ±0.5 3.3 3.5
LTC5582 线性dB RMS检波器 0.04至10 57 ±0.5 3.3 41.6
LTC5596 线性dB RMS检波器 0.1至40 35 ±1.5 3.3 30
AD8310 对数检波器 0至0.44 95 ±1 3至5 8
HMC602 对数检波器/控制器 0.001至8 70 ±1 5 113
AD8317 对数检波器/控制器 0.001至10 55 ±0.5 3.3至5 22
HMC611 对数检波器/控制器 0.001至10 70 ±1 5 103
ADL5519 双通道对数检波器/控制器 0.001至10 62 ±0.5 3.3至5 60
AD8309 提供限幅器输出的对数放大器 0.005至0.5 100 ±1 3至5 16
LT5537 对数检波器 <0.01至1 83 ±1 2.7至5 13.5
ADL5506 对数检波器 0.03至4.5 45 ±1 3至5 3.8
LT5538 对数检波器 0.04至3.8 75 ±1 3至5 29
HMC600 对数检波器/控制器 0.05至4 70 ±0.5 3至5 29
HMC713LP3E 对数检波器/控制器 0.05至8 54 ±0.5 3.3至5 17
HMC1094 毫米波对数检波器 1至23 50 ±0.5 3.3 85
HMC948 毫米波对数检波器 1至23 54 ±0.5 3.3 91
HMC662 毫米波对数检波器 8至30 54 ±0.5 3.3 88

校准RF功率控制环路

图3显示用于校准与图1类似发射机的流程图。这个简单便捷的两点校准程序适用于仅需要大致设定功率电平的情况(但是必须进行精确测量)。为了使校准有效,集成的RF检波器必须在整个温度和频率范围内保持稳定,并且具有可以使用简单的方程对其建模的可预测响应。

图3.利用集成对数检波器校准发射机的简单两点校准程序。

确保发射机的工作功率范围与RF检波器的线性工作范围匹配。首先,移除天线,并将功率计连接到天线连接器。然后,将输出功率电平设定为接近最大功率。用功率计测量天线连接器处的功率,将读数发送到发射机的板载微控制器或数字信号处理器(DSP)。同时,对RF检波器的ADC采样,并由发射机的处理器读取样本。

接下来,将发射机的输出功率降低到接近最小功率,并且重复上述操作(测量天线连接器处的功率,并对RF检波器的ADC采样)。

使用这四个读数(低功率电平、高功率电平、低ADC码和高ADC码),可以计算出斜率和截距(参见图3),并将计算结果存储在非易失存储器中。

RF功率控制环路的现场操作

如图4所示,这是一个在校准之后精确设定发射机功率的流程图。在这个例子中,我们的目标是使发射功率误差小于或等于±0.5 dB。首先,根据最佳初始估值来设定输出功率电平。接下来,对检波器的ADC采样。从存储器中读取斜率和截距信息,计算发射输出功率电平。

图4.校准后发射机的运行流程。

如果输出功率不在PSET的±0.5 dB范围内,则使用VVA使输出功率增加或减少约0.5 dB。由于VVA可能有非线性传递函数,因此我们在这里使用“近似值”。重新测量发射功率,并且逐渐增加功率,直到传输功率误差小于±0.5 dB。

当功率电平处于该容限内时,在必要时持续对其进行监测和调节。例如,如果信号链路中的元件增益随温度变化而漂移,则在测得的功率超出±0.5 dB设定点范围时激活环路。

此算法存在其他变化形式。例如,如果需要保持尽可能低的输出功率但仍然距离设定点小于0.5 dB,就必须采用其他方法。在这种情况下,第一次设置的功率低于所需的功率电平(并超出容限值)。然后,环路测量功率,但设定点增量更小(例如,0.1 dB)。这样,输出功率始终小于设定功率并逐渐接近设定功率。一旦输出功率进入−0.5 dB范围内,就停止增加功率,从而确保实际电平始终低于设定功率,同时仍在容限范围内。

校准后误差

图5至图8是相同的RF检波器在不同的校准点以及不同数目的校准点所获得的数据。图5所示是AD8318检波器在2.2 GHz下的传递函数,AD8318是一款宽动态范围的RF对数检波器,频率高达8 GHz。在这个例子中,使用了两点校准程序(在-12 dBm和-52 dBm处)对检波器执行校准。在完成校准后,可以绘制残留测量误差的曲线。应当注意,即使在执行校准的环境温度下,误差也是非零的,因为即使在工作区域内,对数放大器也无法完美地遵循理想的VOUT与PIN方程(VOUT = 斜率 ×(PIN - 截距))。但是依据定义,−12 dBm和−52 dBm校准点处的误差等于零。

图5.校准点在检波器线性工作范围内的两点校准提供了良好的整体性能。

图6.将校准点移到线性度不高的工作范围可扩展工作范围,但会降低精度。

图7.校准点紧靠在一起的两点校准可提高狭窄范围内的精度。

图8.多点校准可扩展检波器范围并提高线性度,但校准程序更复杂。

图5还包括在-40°C和+85°C下的输出电压误差曲线。这些误差曲线是使用25°C下的斜率和截距校准系数计算的。除非实施基于温度的校准程序,否则必须使用略有残留温度漂移的25°C校准系数。

在许多应用中,当PA在最大功率下发射信号时最好仍具有较高的精度。这一点在许多层面上都具有意义。首先,提出了在全功率或额定功率下具有较高精度的要求。另一方面,从系统设计的角度来看,在额定功率下提高精度也是有利的。考虑设计用于发送45 dBm(约30 W)的发射机。如果校准程序至多能够提供±2 dB的精度,那么PA电路(功率晶体管和散热器)必须设计为安全地发射高达47 dBm或50 W的功率。作为替换方案,我们可以设计校准后精度为±0.5 dB的系统,这样PA就必须设计为能够发送比应用所需功率更多的RF功率,以便安全地发送45.5 dBm或约36 W的功率。

通过改变执行校准的位置,在某些情况中可以改变可实现的精度。图7所示为与图5相同的测量数据,但使用不同的校准点。应当注意,在图7中−10 dBm~−30 dBm范围内的精度非常高(约±0.25 dB)。但是,在远离校准点的较低功率电平下,精度会下降。

图6中显示,可移动校准点来增加动态范围,但以牺牲线性度为代价。在该情况中,校准点是-4 dBm和-60 dBm。这些点位于器件的线性范围的末端。在25°C时,校准点处的误差再次为0 dB。而且,在+25°C时,AD8318的误差小于±1 dB的范围扩展至60 dB;在整个工作温度范围内,该范围扩展至58 dB。该方法的缺点是增加了总体测量误差,特别是增加了检波器范围的顶端处的误差。

图8所示是使用更加精密的多点算法获得的校准后误差。在该情况下,我们向发射机施加多个输出功率电平(在本例中间距为6 dB),并在每个功率电平下测量检波器的输出电压。我们用这些测量结果将传递函数拆分为多个部分,每部分具有自身的斜率和截距。该方法往往可以极大地减小由于检波器非线性引起的误差,使温度漂移成为主要的误差源。该方法的缺点在于,校准程序所需时间较长,并且需要使用较多的存储器存储多个斜率和截距校准系数。

图8显示功率检波器在其动态范围低端和高端的特性差异。尽管多点校准扩展了高端动态范围,但会增加温度漂移,此范围扩展不是很有意义。应当注意,在大于−10 dBm的功率电平下室温曲线、高温曲线和低温曲线发生分离的现象。这个结果在低功率电平下更有意义。同样,多点校准有助于扩展低端动态范围。然而,在这种情况下,室温、高温和低温曲线紧密重叠,即使非线性时也是如此。因此,使用多点校准去除这种非线性后,在整个温度范围内都能保持出色的精度,从而可以将AD8318的传递函数向下扩展到−65 dBm。

结论

在需要准确的RF功率传输的应用中,通常需要某种形式的系统校准。现代基于IC的RF功率检波器具有线性响应,并且随温度和频率的变化是稳定的。线性响应以及随温度和频率变化的稳定性可以极大地简化系统校准程序,能够提供±0.5 dB或更优的系统精度。校准点的位置和数目对可实现的校准后精度有极大的影响。

作者

Eamon Nash

Eamon Nash

Eamon Nash是ADI公司RF产品部的应用工程经理。他已在ADI公司工作了20多年,最初他是一名混合信号和DSP产品现场应用工程师,后来成为无线应用领域分立式RF器件应用工程师。