RF功率校準技術助力無線發(fā)射機

　　無線發(fā)射機可從RF功率測量和控制中獲益。正因為這些因素，與其他無線通訊網絡共存的監(jiān)管要求及需要，必須監(jiān)測和控制無線發(fā)射機中高功率放大器(HPA)的RF功率水平。這些測量的精度和準確性可以提高發(fā)射機的頻譜特性，并極大節(jié)約HPA的運營成本。 

　　某種形式PA輸出功率的工廠校準，通常作為任何控制PA輸出功率計劃的一部分來執(zhí)行。校準算法在其復雜性和有效性方面有著很大不同。本文將集中討論典型的RF功率控制計劃如何得以實現，并將會對各種工廠校準算法之間的效益和效率進行比較。 

　　圖1表示了具有RF功率測量和控制功能的典型無線發(fā)射機的框圖。其中來自HPA的一小部分信號耦合并輸入到用于測量的RF檢測器。該耦合器位于天線附近，并在雙工器和隔離器之后；其相關損耗應包括在部分校準之內。 

　　取決于耦合系數，來自定向耦合器的信號將比輸入天線的信號成比例降低(如低于20或30dB)。這種方式中的耦合功率導致一些發(fā)送路徑中的功率損耗，一般會有幾十dB，這取決于定向耦合器的品質。在無線基礎架構應用中最高的發(fā)射功率一般在+30至+50 dBm(1至100W)，這一來自定向耦合器的信號對RF檢測器而言將仍然過大。因此，在耦合器和RF檢測器之間一般要求額外的衰減。 

　　現代對數響應RF檢測器(logamp)具有30至100 dB的功率監(jiān)測范圍，并提供溫度和頻率穩(wěn)定的輸出。在大多數應用中，檢測器輸出被輸入到模擬數字轉換器(ADC)，以便被數字化。采用儲存在非揮發(fā)性存儲器(EEPROM)中的校準系數，來自ADC的代碼被轉換成發(fā)射功率讀數。該功率讀數與設定點的功率水平進行比較。如果發(fā)現設定值與實測功率之間的任何差異，可以在信號鏈中許多點之間的任何一點進行功率調節(jié)?？梢哉{整驅動射頻的基帶數據的幅度，可以調整射頻或中頻(IF)可變增益放大器(VGA)，或者改變HPA的增益的。這樣一來，增益控制回路調節(jié)自身并在理想限度內保持發(fā)射功率。但必須注意的是，電壓可變衰減器(VVA)和HPA的增益控制傳遞函數通常相當的非線性。因此，自某一增益調整的實際增益變化是不確定的。這加劇了對控制回路的需求，該回路在改變設置和隨后迭代的進一步引導上提供了反饋。 

　　在圖 1的系統(tǒng)中，幾乎沒有器件提供很好的絕對增益精度規(guī)范。通過確定±1 dB的發(fā)射功率誤差來表示其影響。器件的絕對增益，例如HPA、VVA、RF增益模塊，以及信號鏈中的其它器件，一般從器件到器件變化很大，從而達到造成輸出功率不確定性將明顯大于±1dB的程度。此外，信號鏈增益會隨溫度和頻率變化而有所不同。因此，必須不斷測量發(fā)射功率。 

RF功率校準技術助力無線發(fā)射機 

　　輸出功率校準可以定義為對傳輸到系統(tǒng)的高精度外部參考進行校準。校準過程通常涉及到切斷與天線的連接，并連接外部測量參考，例如RF功率計，為了向發(fā)射機的集成功率檢測器傳遞或克隆功率計的高精度。校準過程包括設定一個或更多的功率水平，采用來自功率計的讀書和來自RF檢測器的電壓，并將全部這些信息儲存在非易失性 EEPROM中。采用這些存儲的信息，發(fā)射機可以精確調節(jié)器自身功率，而不必與功率計進行連接。例如放大器增益與溫度關系、發(fā)射頻率，以及理想輸出功率水平變化等參數，(已校準)板上RF檢測器的作用就像一臺具有絕對準確性的內置功率計，這將保證該發(fā)射機永遠在規(guī)定的容差內發(fā)射理想功率。 

　　在該系統(tǒng)RF檢測器溫度和頻率內，該傳輸函數的線性度和穩(wěn)定性強烈影響著校準過程的復雜性和7個可獲得的后校準精度。圖2表示了RF 指數放大器的傳輸函數的行為與溫度的關系，該圖為了進行解釋說明而進行了放大。三條3曲線顯示出：在+25°C、+85°C和-40°C下輸出電壓與輸入功率的關系。在+25°C下，檢測器的輸出電壓范圍從輸入功率為-60 dBm的大約1.8伏到輸入功率為0 dBm的0.4 V。傳輸函數緊隨一條直線，這條線覆蓋了這一痕跡。傳輸函數在末端偏離了這一直線，在-10和-5 dBm功率水平也有一些非線性行為的例子。 

　　快速計算表明，這種檢測器有大約-25 mV/dB的斜率：輸入功率1 dB變化將導致25 mV的輸出電壓變化。這個斜率在動態(tài)范圍的線性部分為常數。因此，盡管有大約為-10 dBm的輕微非線性，但還可以得出結論，在+25°C下該傳輸函數的行為，可以采用一個公式1形式的簡單方程來建模： 

　　其中，INTERCEPT = 外推的直線與圖中x軸交叉相吻合的點。 

　　從校準方面來看，這一簡單的公式是有用的，這是因為它將通過采用和測量與校準過程中兩個不同功率水平一樣低的功率，來建立檢測器的傳輸函數。 

　　考慮溫度上圖2中這一假設的檢測器的行為。在輸入功率為-10 dBm時，從約為室溫到-40 ℃或+85℃，輸出電壓隨溫度的變化大約為100 mV。根據早先對檢測器坡度計算為-25mV/dB，這相當于在± 4 dB測量功率下的偏差，這一偏差對大部分使用系統(tǒng)而言實在太大(現實的RF檢測器通常也有介于0和+/-0.5 dB之間的溫度漂移)。實踐中，所需要的是傳遞函數具有最小漂移隨溫度的檢測器。這將保證在工作溫度范圍以上的常溫下實現校準過程也將是有效的。這使得發(fā)射機在常溫下實現工廠校準，并在炎熱或寒冷溫度下避免昂貴而耗費時間的校準周期。

　　如果發(fā)射機頻率變化迅速，并且需要在多種頻率下按照確定的頻段發(fā)送信號，作為頻率函數的檢測行為也非常重要。最理想的是，RF檢測器按照確定的頻段呈現的反應變化并不顯著。這使得有可能在單個頻率下校準發(fā)射機，并且隨頻率變化的精度損失很少或根本沒有。 

　　圖3 表示了發(fā)射機校準的流程圖，該圖與圖1中所述相似。簡單而快捷的兩點校準允許大致設定功率水平(但功率水平必須進行準確測量)。其有效性依賴于集成RF檢測器隨溫度和頻率變化的穩(wěn)定性，并具有可采用公式1進行建模的可預測響應。發(fā)射機的工作功率范圍也應符合RF檢測器的線性工作范圍。 

　　校準過程始于將功率計連接到天線，并設定接近于最大的功率水平。測量天線連接器的功率，并將其傳送給發(fā)射機的電路板上微控制器或數字信號處理器(DSP)。在同一時間內，通過模擬數字轉換器(ADC)來測量RF檢測器的輸出電壓，并且將其讀數提供給發(fā)射機的處理器。 

RF功率校準技術助力無線發(fā)射機 

　　其次，發(fā)射機的輸出功率減少到一定程度，即接近最低功率，并且重復這一過程(測量天線連接器和采樣RF檢測器ADC的功率)。與這四個讀數(低和高功率水平，低和高ADC編碼)，可以計算出SLOPE和INTERCEPT(見圖3)，并將其儲存在非揮發(fā)性存儲器中。 

　　圖4 表示了校準之后，在發(fā)射機中精確設定功率的流程圖。在這個例子中，其目標就是要有一個發(fā)射功率誤差，其小于或等于±0.5 dB。最初，在最佳優(yōu)先推測的基礎上來設定輸出功率水平。接下來，對該檢測器的ADC進行采樣。從存儲器取回SLOPE和INTERCEPT的值，并且計算所發(fā)射的輸出功率水平。如果輸出功率不在設定功率水平PSET的±0.5 dB之內，使用電壓可變衰減器(VVA)增加或減少輸出功率大約0.5 dB。在這里使用術語“大約”是因為有可能VVA本身具有非線性傳輸函數。再次測量發(fā)射功率，并進一步增加功率，直到發(fā)射功率誤差小于±0.5 dB。一旦功率水平在容差之內，進行持續(xù)監(jiān)測，并且如果有必要的話，要進行調整(例如，如果信號鏈中的一個組分隨溫度有顯著的增益漂移)。 

RF功率校準技術助力無線發(fā)射機 

　　圖5 (a)到5(d)表示了來自同一個RF檢測器的數據，但使用了不同的選擇和數量的校準點。圖5(a)表示了2.2 GHz下AD8318型檢測器的傳輸函數，寬動態(tài)范圍的RF對數檢測器工作至8 GHz。在這種情況下，已經采用兩點校準(在-12和-52 dBm)對檢測器進行了校準。一旦校準完成后，可以畫出剩余的測量誤差。注意的是誤差并不是零。這是因為對數放大器并不完全遵照理想的輸出電壓 (VOUT)與輸入功率(PIN)的方程(VOUT = SLOPE(PIN – INTERCEPT)，即使在其工作區(qū)域內。然而，根據定義，在校準點的誤差將等于零。 

　　圖5(a)還包括了-40和+85℃之間的輸出電壓誤差圖。使用+25℃ SLOPE和INTERCEPT校準系數來計算這些誤差圖。除非將采用某種以溫度為基礎的校準程序，否則有必要依靠+25℃的校準系數，并且承認有微小的剩余溫度漂移。

 

RF功率校準技術助力無線發(fā)射機 

　　在許多應用中，可取的做法是，當在最大功率下發(fā)射HPA時有更高的精度。一方面，可能會有規(guī)范要求在全部或額定功率下需要更高水平的精度。不過，從系統(tǒng)設計的角度來看，額定功率下增加精度也是有價值的?？紤]用于發(fā)射+45 dBm(大約30 W)輸出功率的發(fā)射機。如果校準可以提供最高±2 dB的精度，然后必須設計HPA電路(功率晶體管和散熱片)安全地發(fā)射高達+47 dBm或50 W的輸出功率，這是一項昂貴的有余量設計。但是，如果系統(tǒng)可以被設計為具有±0.5 dB的后校準精度，HPA僅必須是超尺寸的，以便其能夠安全發(fā)射45.5 dBm或約36 W的功率。 

　　通過改變其中進行校準的點，在某些情況下，可能極大影響可以達到的精度。圖5(b)表示了與圖5(a)一樣的測量數據，但從-10至-30 dBm具有很高的精度(大約±0.25 dB)。 

　　圖5 (c)表示了如何在犧牲線性度的情況下，移動校準點來增加動態(tài)范圍。在這種情況下，校準點為-4和-60 dBm。這些點在器件線性范圍的底部。再次，在+25℃下校準點0 dB誤差是顯而易見的。還要指出，超過了AD8318保持小于±1 dB的誤差，在+25°C下將范圍擴展至60 dB，并且在該溫度以上為58 dB。這一辦法的缺點是，增加了整體測量誤差，尤其是在檢測器范圍頂部的情況下。 

　　圖5(d)表示了使用更精細的多點算法的后校準誤差。在這種情況下，將多輸出功率水平(在這個例子中間隔6 dB)應用于發(fā)射機，并使用每個功率水平下的檢測器輸出電壓進行測量。這些測量被用于將傳輸函數分成幾段，每段擁有自己的SLOPE和 INTERCEPT。這種算法往往可以極大減少由檢測器非線性所導致的誤差，并使溫度漂移成為主要的誤差來源。這種辦法的缺點是，校準過程需要更長的時間，并需要更多的內存來存儲多個SLOPE和INTERCEPT校準系數。 

　　在需要高精度RF功率傳輸的應用中，通常需要某種形式系統(tǒng)校準?；诂F代集成電路(IC)的RF功率檢測器，具有預測響應以及良好的溫度和頻率穩(wěn)定性，可以大大簡化系統(tǒng)校準，并可以提供± 0.5 dB或更好的系統(tǒng)精度。校準點的位置和數量可以對可達到的后校準精度產生顯著的影響。