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设计资源
评估硬件
产品型号带"Z"表示符合RoHS标准。评估此电路需要下列选中的电路板
- ADL6010-EVALZ ($707.54) ADL6010 Evaluation Board
- EVAL-AD7091RSDZ ($83.49) AD7091R Evaluation Board
- EVAL-SDP-CB1Z ($134.00) Eval Control Board
优势和特点
- 40GHz功率计
- 45dB动态范围
- 低功耗
参考资料
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CN0366： −30 dBm 至 +15 dBm 范围的 40 GHz 微波功率计2014/10/1PDF579K
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理解、操作并实现基于二极管的集成式RF检波器接口2015/11/1
电路功能与优势
图1所示电路是一款40 GHz 精密微波功率计，具有45 dB范围，仅需两个器件。RF检波器有一个采用肖特基二极管的创新检波器单元，后接一个模拟线性化电路。一个低功耗、12位、1 MSPS模数转换器(ADC)通过串行外设接口(SPI)端口提供数字输出。
测量之前，在需要的特定RF频率执行简单的校准程序。然后，用户便可在测量模式下使用该系统。在测量模式下，CN-0366 评估软件 显示施加于检波器输入端的校准RF输入功率(单位为dBm)。
采用5 V单电源供电时，该电路的总功耗低于9 mW。
图1.微波功率计原理示意图(未显示去耦和所有连接)
电路描述
图1所示电路利用RF和微波功率检波器 ADL6010 将交流波形转换为与输入波形幅度对应的比例输出电压。输出电压为线性电压，斜率单位为V/V rms。然而，在大多数功率计应用中，输出电压是一个代表输入波形幅度的稳定直流值ADL6010可提取带宽高达40 MHz的RF信号包络。
12位、1 MSPS ADC AD7091R 对检波器输出进行采样，数据通过数据采集板处理，然后送至PC作进一步处理和分析。该ADC内置2.5 V基准电压源，可利用它来设置满量程电压。如果需要更大的满量程电压，可由外部基准电压源驱动到更高的电压。
该系统必须进行校准，因为输出电压取决于输入波形的频率。测量调制信号时，还需要一个校正系数。为了执行计算，提供了一个带简单图形用户界面的PC软件(CN-0366评估软件)。
功率检波器
ADL6010是一款45 dB包络检波器，工作频率范围是500 MHz到43.5 GHz。其线性电压斜率约为5.9 V/V rms，检波器绝对输入范围为−30 dBm至+15 dBm或−43 dBV至+2 dBV(50 Ω系统中)。检波器单元使用专有八肖特基二极管阵列，后接新颖的线性化电路，可创建相对于输入均方根电压幅度，总比例因子(或传递增益)标称值为5.9的线性电压表。利用输出均值电容，ADL6010可以检测具有可变包络的信号，但对于相同的输入功率，必须使用校正系数来补偿输出电压的变化。输出电压与均方根输入电压的关系如下：
其中：
VOUT 为VOUT引脚上的电压。
Slope 约为5.9 V/V rms(10 GHz时)。
VRFIN 为均方根输入电压。
Intercept 为延长后数据经过Y轴的值。
图2为ADL6010的功能框图。
图3所示为不同频率下传递函数的变化。在1 GHz到40 GHz范围内，输出电压约有300 mV的差异。在整个频率范围内，温度变化小于±0.5 dB。图4和图5分别显示10 GHz和40 GHz下的温度变化。
模数转换器
AD7091R 是一款12位、1 MSPS ADC，输入电压范围为0 V至VREF，其基准电压由内部2.5 V基准电压源提供，或由取代内部基准电压源的外部基准电压源提供。外部基准电压源最高可达5 V。对于2.5 V满量程电压 (VREF = 2.5 V)，LSB大小为：
ADL6010的输出电压约为25 mV至4 V，因此，当AD7091R使用内部2.5 V基准电压源时，利用一个衰减比约为1.6的200 Ω/340 Ω电阻分压器便能将信号幅度降低至该ADC支持的范围以内。
数据分析
EVAL-SDP-CB1Z 演示平台(SDP)板与基于AD7091R评估板控制软件的软件一起使用，以捕捉ADC采样的数据。该软件可读出功率计值，并具有校准选项。功率计显示屏显示施加于ADL6010输入端的功率。为了利用ADL6010和AD7091R精确测量功率，应将两个不同电平的已知输入功率施加于ADL6010输入端，然后读取相应的ADC输出码。这四个值构成图上的两点，必须将其存储起来以供之后的校准程序使用。这两点为：
- 第1点：(VLOW, CODELOW)
- 第2点：(VHIGH, CODEHIGH)
根据这两点便可求出斜率和截距，进而在特定工作频率下校准系统。
图6为软件功率水平显示。
系统传递函数
从检波器输入到ADC输出的系统斜率和截距为：
其中：
SlopeSYS 为系统斜率。
CODEHIGH、CODELOW 分别为ADC的高码输出和低码输出。
VHIGH、VLOW 分别为高RF电压和低RF电压。
INTSYS 为系统截距。
系统整体传递函数为：
其中，VIN 为输入RF信号的均方根电压。
求解 VIN：
因此，功率PIN(dBm)可表示为：
对于50 Ω输入阻抗，此公式可简化为：
用户校准算法
CN-0366评估软件在特定工作频率执行一次性校准。校准通过校准选项卡完成，如图6中的窗口所示。校准程序如下：
- 将RF功率设置为高电平 (VHIGH)。
- 测量ADC输出码 (CODEHIGH)。
- 将RF功率设置为低电平 (VLOW)。
- 测量ADC输出码 (CODELOW)。
- 计算系统斜率(单位为码/V)。
- 计算系统截距(单位为码)。
- 将斜率和截距存储为校准系数。
- 用任意输入RF功率测量ADC码。
- 利用该码、斜率和截距计算输入功率。
包括ADC的完整信号链的测量结果
利用CN-0366评估软件获取多个频率上的测量结果。每个频率都要先校准，再测量。结果如图7、图8和图9所示。图7中，注意误差与校准功率水平的相关性。选择适当的校准水平可能需要一些试错过程。
图7至图9显示了实测输入功率与施加于ADL6010输入端的实际功率的关系以及二者之间的误差。 数据是在0°C、25°C和70°C温度下获得，结果如图10、图11、图12和图13所示，分别针对1 GHz、10 GHz、20 GHz和30 GHz的频率。 注意，某些测量结果是利用不具均值功能的旧版软件获得的，因此在较低输入功率水平时会有较大纹波。
公式总结
下面总结了CN-0366中的公式，另外还给出了几个公式以便用户深入了解此功率计电路的功能。
ADL6010的传递函数为：
其中：
VOUT 为检波器的直流输出电压。
SlopeDET 为检波器的增益/斜率，单位为V/V rms。
VIN 为输入RF信号的均方根电压。
INTDET 为检波器的截距，单位为V。
求解 VIN：
ADC传递函数(由ADL6010驱动时)为：
CODE = VOUT/LSB
LSB = VREF/4096
其中：
CODE为ADC输出码，这是一个范围从0到4096的无单位数字。
VREF为ADC的满量程基准电压，单位为V。LSB为ADC可以分辨的最小量化电压，单位为V/步或V/位。
求解 VOUT：
VOUT = CODE × LSB
将此式代入前面的VIN公式可得：
将所有量再折合到输入功率可得：
其中，R为ADL6010 RFIN引脚的阻抗。将VIN代入功率计算公式可得：
上式简化后得到：
此公式涉及到ADL6010检波器输出斜率和截距，有助于从概念上了解系统的相互作用关系。然而，在实际应用中，系统的传递函数需要用系统的总斜率和截距来表示，其中斜率的单位为码/V，截距的单位为码。最终传递函数可以按如下方式推导。
用系统斜率 (slopeSYS) 和系统截距 (INTSYS) 表示的系统传递函数的推导从公式2开始，公式2中的输入功率用检波器斜率 (slopeDET) 和检波器截距 (INTDET)表示。将VIN 表达式(公式2)的分子和分母同时乘以1/LSB便可实现推导，具体如下所示：
将此 VIN 表达式代入公式2便可得到公式1。
INTDET 单位为V，SlopeDET 单位为V/V rms，LSB单位为V/码。乘以1/LSB后， INTDET 变为等效ADC码，检波器斜率变为系统斜率(单位为码/V rms)，如下式所示：
INTSYS = INTDET/LSB
Slopesys = SlopeDET/LSB
有关CN-0366电路的完整设计文件，包括原理图、布局布线、Gerber和物料清单，请参阅 CN-0366 设计支持包。
常见变化
在功率监控和VGA应用中，常见做法是用耦合器获取传输线路的一些功率，然后将信号馈入RF/微波检波器，如图14所示。
校准此设置时，上述校准程序不变。耦合器和传输线路的损耗通过校准消除，并在斜率和截距公式中考虑。计算系统斜率和截距时，使用施加于耦合器输入端的电压电平。系统斜率和截距用检波器输入电压和ADC输出码表示如下：
其中：VHIGH、VLOW 分别为施加于检波器输入端的高电压和低电压(图14中用一般形式 VIN 表示)。CODEHIGH、CODELOW 分别为ADC的高输出和低输出。
若将已知电压施加于耦合器输入端(图14中用一般形式 VCOUPLER 表示)，则耦合器输入与检波器输入之间具有如下一般关系：
VIN = VCOUPLER × Voltage Loss
其中，Voltage Loss为小数形式的恒定衰减系数。
例如，若从耦合器输入到检波器输入的电压损耗为20 dB，则电压损耗系数为1/10。
如果使用耦合器输入端的电压电平，而不是检波器输入端的电压电平，则系统斜率的新表达式(包括耦合器和传输线路损耗)为：
其中，VHIGH’ 和 VLOW’ 分别是耦合器输入端的高校准电压和低校准电压。
若用检波器输入电压以及耦合器和传输线路的损耗表示，则上式变为：
图15显示了一个采用10 dB损耗耦合器的系统在1 GHz和5 GHz时的传递函数。
图15. 采用10 dB耦合器的系统在1 GHz和5 GHz时的实测功率和误差与施加功率的关系
电路评估与测试
设备要求
若要进行CN-0366中所述的评估，需要如下设备：
- ADL6010-EVALZ 评估板。
- EVAL-AD7091 RSDZ 评估板。
- EVAL-SDP-CB1Z SDP 板。
- Agilent E8257D信号发生器。
- Agilent 34410A数字万用表。
- 通过USB电缆将Windows® 7 PC连接到SDP板(随EVAL-SDP-CB1Z提供)。
- 用5 V电源为ADL6010-EVALZ板供电。
- 用9 V交流变直流壁装式转换器为EVAL-AD7091RSDZ评估板供电(随EVAL-AD7091RSDZ提供)。注意，EVAL-SDP-CB1Z由EVAL-AD7091RSDZ上的稳压器供电。
- CN-0366 评估软件。
开始使用
对ADL6010-EVALZ评估板EVAL-AD7091RSDZ评估板进行如下改动和链路设置，以便实现图1所示电路。
对于ADL6010-EVALZ，用200 Ω电阻(0402尺寸)替换R1。
对于EVAL-AD7091RSDZ，用0 Ω电阻(0603尺寸)替换R1，用340 Ω电阻(0603尺寸)替换C13。对于EVAL-AD7091RSDZ链路设置，将LK1调到位置C，将LK2调到位置C，LK3和LK4保持开路。
图16. 测试RF和微波功率计的功能框图
功能框图
图16显示了用于测试接收链的测试设置的功能框图。
设置与测试
设置和测试微波功率计系统的步骤如下：
- 开启所有测试设备，等待测试设备预热完毕。
- 将ADL6010-EVALZ评估板输入连接到Agilent信号发生器(建议利用管式连接器从信号发生器直接连到评估板)。
- 将ADL6010-EVALZ评估板输出连接到EVAL-AD7091RSDZ评估板输入。
- 将EVAL-SDP-CB1ZSDP板连接到EVAL-AD7091RSDZ评估板。
- 通过USB电缆(随SDP板提供)将SDP板连接到PC。
- 将CN-0366评估软件下载并安装到与SDP控制板相连的PC。
- 正确安装软件后，运行可执行文件。
- 开启信号发生器，将它设置为ADL6010工作范围以内的功率和频率。
- 为了获得准确的功率读数，运行软件中的校准程序。
- 软件GUI随即计算并显示施加于ADL6010输入端的功率。