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ADI:带两个RMS检测器的集成双向桥,用于丈量RF功率和回波损耗

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 定向耦合器用于检测RF功率,应用广泛,可以出现

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定向耦合器用于检测RF功率,运用广泛,能够出现在信号链中的多个方位。本文讨论ADI公司的新器材ADL5920,其将依据宽带定向耦合器与两个RMS呼应检测器集成在一个5 mm×5 mm表贴封装中。比较于要在尺度和带宽之间困难取舍的传统分立式定向耦合器,该器材具有显着的优势,尤其是在1 GHz以下的频率。

在线RF功率和回波损耗丈量一般运用定向耦合器和RF功率检波器来完成。

图1中,双向耦合器用于无线电或测验丈量运用中,以监测发射和反射的RF功率。有时也期望将RF功率监测嵌入电路中,一个很好的比如是将两个或更多信号源切换到发射途径(运用RF开关或外部电缆)。

Figure 1
图1. 丈量RF信号链中的正向和反射功率

定向耦合器具有方向性这一重要特性,也便是它能区别入射和反射RF功率。当入射RF信号在通往负载的旅程中经过正向途径耦合器(图2)时,耦合一小部分RF功率(一般是比入射信号低10 dB至20 dB的信号),输入RF检波器。当正向功率和反射功率均要丈量时,须再运用一个耦合器,其方向与正向途径耦合器相反。两个检波器的输出电压信号将与正向和反向RF功率水平成份额。

Figure 2
图2. 选用定向耦合器和RF检波器的典型RF功率丈量体系

表贴定向耦合器的根本问题是须在带宽和尺度之间进行取舍。尽管频率掩盖规模为一个倍频程(即FMAX等于两倍FMIN)的双向定向耦合器一般选用小至6 mm2的封装,但多倍频程表贴定向耦合器要大得多(图3)。宽带衔接器式定向耦合器具有多倍频程的频率掩盖规模,但显着大于表贴器材。

Figure 3
图3. 衔接器式定向耦合器、表贴定向耦合器以及带定向桥和双RMS检测器的ADL5920集成IC

图3还显现了ADL5920评价板,它是一款新式RF功率检测子体系,检测规模高达60 dB,选用5 mm×5 mm MLF封装(ADL5920 IC坐落RF衔接器之间)。ADL5920的功用框图如图4所示。

Figure 4
图4. ADL5920框图

ADL5920不是运用定向耦合器来检测正向和反射信号,而是选用一种专利的定向桥技能来完成宽带且紧凑的片内信号耦合。要了解定向桥的作业原理,咱们需求先回忆惠斯登电桥。

惠斯登电桥

定向桥的概念依据惠斯登电桥(图5),即在平衡时发作的差分电压为零。在惠斯登电桥中,两条支路之一中的一个电阻是可变的 (R2),而别的两个电阻(R1和R3)是固定不变的。总共有四个电阻——R1、R2、R3和Rx,其间Rx是不知道电阻。假如R1 = R3,那么当R2等于Rx时,VOUT = 0 V。当可变电阻具有适宜的值,使得电桥左右两头的分压比持平,然后在发作VOUT的差分检测节点上发作0 V差分信号时,以为电桥处于平衡状况。

Figure 5
图5. 惠斯登电桥

单向桥

图6是单向桥原理图,十分好地解说了这种器材的根本操作。首要要留意的是,定向桥需求针对特定Zo进行规划,并将插入损耗降至最低。假如RS = RL= R = 50,则电桥的检测电阻为5,这样插入损耗 (<1dB) 与信号检测便完成了杰出的折衷。从负载回头看来核算ROUT,得到准确的50端口阻抗,而核算RIN将得到50.8端口阻抗(|Γ| = 0.008;RL = –42 dB;VSWR = 1.016)。假如在RFIP施加图示信号,因为RIN约为50,所以RFIP处的电压约为电源电压的一半。暂时假定RFIP处的电压等于1 V,则RFOP处的电压约为0.902 V。

该电压进一步衰减10/11 = 0.909,使得差分放大器的负输入为0.82V,所得差分电压为 (1 – 0.82) = 0.18 V。电桥的有用正向耦合因子 (Cpl) 为

Equation 1

就电桥而言,平衡意味着当信号反向施加时(RFOP至RFIP),VFWD 检波器(或Cpl端口)在抱负状况下将看到零差分电压,而当信号正向施加时(RFIP到RFOP),看到的将是最大信号。为了在这种结构中取得最大的方向性,精细电阻最重要,因而将其集成是很有利的。

在单向桥中,为了确认核算回波损耗所需的阻隔,需求翻转器材,然后将输入信号施加于RFOP。在这种状况下,电桥是平衡的,差分放大器的正负输入持平,因为相同的分压比0.909 = (10R/(10R + R) = (R/(R+0.1R))导致差分电压(V+减V-)= 0 V。

Figure 6
图6. 简化单向桥电路图

双向桥

图7是双向桥的简化图,与ADL5920中运用的相似。关于50环境,单位电阻R等于50。因而,电桥的检测电阻值为5,而两个分流网络的电阻值均为约1.1 k。

这是一个对称网络,因而当RS和RL也等于50时,输入和输出电阻RIN和ROUT相同且挨近50。

当源阻抗和负载阻抗均为50时,内部网络的欧姆剖析告知咱们,与VREV比较,VFWD将相当大。在实践运用中,这对应于从信号源到负载的最大功率传输。这导致反射功率很小,然后导致VREV十分小。

接下来,咱们考虑假如RL为无限大(开路)或零(负载短路),会发作什么状况。在这两种状况下,假如重复欧姆剖析,咱们会发现VFWD和VREV大致持平。这反映了一个实践体系在开路或负载短路状况下,正向和反射功率持平。下面将对这些状况进行更具体的剖析。

Figure 7
图7. 简化双向桥电路图

VSWR和反射系数

在网络剖析中对差错进行全面剖析太杂乱,超出了本文的规模,但咱们想在这儿概述一些根本概念。Marki Microwave编撰的运用笔记”方向性与VSWR丈量“是一篇超卓的文章,可供参看1

行波是描绘传输线路上电压和电流的重要概念,因为其是方位和时刻的函数。传输线路上的电压和电流的一般解包括一个前向行波和一个反向行波,它们是间隔x的函数2

Equation 2
Equation 3

在等式2和等式3中,V+(x)标明向负载跋涉的电压波,而V–(x)标明因为失配而从负载反射的电压波,Z0为传输线路的特征阻抗。在无损传输线路中,Z0由以下经典方程界说:

Equation 4

传输线路的最常见Z0为50。假如这样的线路用特征阻抗端接,那么在50信号源看来,它是一条无限长线路,因为沿着线路跋涉的任何电压波都不会发作能够在信号源或线路就任何其他当地检测到的反射。可是,假如负载不是50,那么沿着线路会发作一个驻波,这是能够检测到的,其由电压驻波比 (VSWR) 界说。

更一般地,反射系数界说为:

Equation 5

其间Γ0为负载反射系数, 为传输线路的传播常数。

Equation 6
Equation 7
Equation 8

R、L、G和C别离为传输线路单位长度的电阻、电感、电导和电容。

回波损耗 (RL) 是反射系数 (Γ) 的负值,以dB为单位。这点很重要,因为反射系数和回波损耗经常被混杂而交换运用。

Equation 9

除了上述负载失配以外,回波损耗还有一个十分重要的界说,即依据阻抗不接连处的入射功率和反射功率来界说,如下所示:

Equation 10

其广泛用于天线规划。VSWR、RL和Γ0的联系如下:

Equation 11
Equation 12
Equation 13

式14和式15别离代表驻波电压的最大值和最小值。VSWR界说为波上最大电压与最小电压之比。线路上的峰值电压和最小电压别离为:

Equation 14
Equation 15

例如在50传输线路中,假如前向跋涉电压信号的峰值起伏A = 1,而且线路与一个抱负负载匹配,则|Γ0| = 0,没有驻波 (VSWR = 1.00),线路上的峰值电压为A = 1。可是,假如RLOAD为100 或25 ,那么|Γ0| = 0.333,RL = 9.542 dB,VSWR = 2.00,|V(x)|max = 1.333,|V(x)|min = 0.666。

图8是图7的副本,但所示信号选用默许正向装备,而且指示了跋涉功率波,参阅平面坐落负载。在低频时,波长相关于物理结构而言较长,电压和电流同相,电路能够依据欧姆定律来剖析。

Figure 8
图8. 带信号的简化双向桥

端口界说如下:输入端口(端口1)为RFIP,输出端口(端口2)为RFOP,耦合端口(端口3)为VFWD,阻隔端口(端口4)为VREV。因为结构是对称的,当信号在ZL处反射或施加于RFOP时,端口回转。

在负载匹配且发作器电压衔接到端口1(RF IP)的状况下,ZS = ZL = Z0 = R = 50 ,

Equation 16

Equation 17

VL/VS+为插入损耗LI或IL,单位为dB。

Equation 18

0.1×R主线路电阻任一侧的两个并联支路的衰减因数为:

Equation 19

图8中的|VREV|和|VFWD|公式显现了正向施加信号时的电压值。这些公式指出了简化原理图的根本方向性约束,原因是阻隔端口的按捺功用 (33 dB) 不抱负。

Equation 20

从图8中能够看出,线性域中双向桥的方向性由下式确认:

Equation 21

这标明:为了进步方向性, 需求等于插入损耗L1

在硅片中,峰值方向性一般比简图标明的要好(图9)。

假如ZL不等于ZO(正常状况下),则耦合和阻隔端口电压(复数)将为:

Equation 22

Equation 23

其间,VS+是端口1(节点VS)处的正向电压,VL-是端口2(节点VL)处负载的反射电压。是反射信号的不知道相位,

Equation 24

用 (24) 替代 (22) 和 (23) 中的VL-,并用 (21) 简化成果,别的

Equation 25

导致输出电压十分杂乱。

Equation 26

Equation 27

从 (26) 和 (27) 能够看出,当DL>>1时,

Equation 28

在ADL5920中,电压VREV和VFWD别离经过两个60 dB规模的线性dB RMS检测器映射到电压VRMSR和VRMSF,别离为 (VISO/VSLP) 和(VCPL/VSLP)。所以器材的差分输出VDIFF(单位为dB)标明

Equation 29

其间检波器斜率VSLP约为60 mV/dB。

运用 (28) 中 (29) 的电压到dB映射,

Equation 30

并在式30中运用式9,得到:

Equation 31

Equation 32

Figure 9
图9. ADL5920方向性与频率的联系输入电平为20 dBm

图10显现ADL5920被正向驱动时正向功率检测RMS检测器的呼应。每条曲线对应于所施加的特定功率水平下输出电压与频率的联系。曲线中止在10 MHz,低至9 kHz的频率下的操作已得到验证。图11中,相同数据标明为输出电压与输入功率的联系,每条迹线代表不同的频率。

Figure 10
图10. 多种输入功率水平下正向途径检测器的典型输出电压与频率的联系

Figure 11
图11. 多种频率下正向途径检测器的典型输出电压与输入功率的联系

当ADL5920的RFOUT引脚用一个50 电阻端接时,不该有反射信号。因而,反向途径检测器不该该会记载任何检测到的反向功率。可是,因为电路的方向性对错抱负的,会跟着频率改动而滚降,所以反向途径中会检测到一些信号。图12显现了在500 MHz频率下,当扫描RFIN且RFOUT用50电阻端接时,正向和反向途径检测器测得的电压。这些迹线之间的笔直压差与电桥的方向性直接相关。

Figure 12
图12. VRMSF和VRMSR输出电压与输入功率的联系,500 MHz,电桥从RFIN驱动,RFOUT端接50 Ω

图13显现了改动负载对正向功率丈量的影响。将规则的功率水平施加于RFIN输入,RFOUT上的负载回波损耗从0 dB改动到20 dB。正如预期的那样,当回波损耗在10 dB到20 dB规模内时,功率丈量精度十分好。但跟着回波损耗下降到10 dB以下,功率丈量差错开端添加。值得留意的是,回波损耗为0 dB时,差错仍在1 dB规模内。

Figure 13
图13. 测得的正向功率与施加的功率和负载的回波损耗之间的联系,在1 GHz下丈量

图14中,ADL5920用于丈量负载的回波损耗,频率相同为1 GHz。将一个已知回波损耗施加于RFOUT端口。丈量VRMSF和VRMSR,并反推报答损耗。

Figure 14
图14. 测得的回波损耗与施加的回波损耗和RF功率的联系,在1 GHz下丈量

关于此图,有几点需求留意。首要,能够看到,跟着回波损耗的改进,ADL5920丈量回波损耗的才能下降。这是因为器材具有方向性。其次,请留意丈量精度怎么跟着驱动功率下降而下降。这是因为ADL5920板载RMS检测器的检测规模和灵敏度有限所形成的。第三点与迹线中的显着波纹有关。这是因为每次丈量都是在单一回波损耗阶段进行的。假如在一切回波损耗阶段重复丈量,则会发作一系列曲线,其笔直宽度将大致等于波纹的笔直宽度。

运用

凭仗在线丈量RF功率和回波损耗的才能,ADL5920可用于多种运用。其小尺度意味着它能够置身于许多电路中,而不会对空间形成太大影响。典型运用包括在线RF功率监测(RF功率水平可高达30 dBm,其间插入损耗不重要)。回波损耗丈量功用一般用于需求监测RF负载的运用。这能够是一个简略的电路,用于查看天线是否遭到损坏或开裂(即灾难性毛病)。可是,ADL5920也可在资料剖析运用中丈量标量回波损耗。这最适合频率低于大约2.5 GHz的运用,其间方向性(然后丈量精度)大于15 dB。

ADL5920评价板有两种外形尺度,如图15所示。左边所示为传统评价板,检测器输出电压可经过夹式引线和SMA衔接器供给。该评价板还包括一条校准途径,可用于校准FR4板的插入损耗。

右侧所示的评价板集成度更高,包括一个4 通道12位ADC(AD7091R-4)。此评价板可衔接ADI公司的SDP-S USB接口板,其包括的PC软件可核算RF功率和回波损耗,以及履行根本功率校准例行程序。

Figure 15
图15. ADL5920评价板挑选

参阅电路

Doug Jorgesen and Christopher Marki。方向性与VSWR丈量:了解回波损耗丈量. Marki Microwave, 2012。

Guillermo Gonzalez。微波晶体管放大器剖析与规划。Prentice-Hall, 1984。

Eamon Nash。 “了解、操作并完成依据二极管的集成式RF检波器接口。”ADI公司,2015年11月。

称谢

感谢Steve Boyle供给深思熟虑的剖析和建设性定见,感谢Rob Hicks创立评价板。此外,咱们永久感谢Peter Kearney所做的悉数丈量作业。

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