基于LT5581 RMS射频检测器解决射频功率检测的问题挑战

作为一个例子，不同的RF应用具有不同的功率检测要求和优先级，并且无线通信链路的目标与雷达系统的目标非常不同。需要检测相对功率水平的RF系统用户可以选择三种主要类型的检测器IC，通常称为RMS，日志和峰值类型。这些不同的探测器提供响应时间，峰值与RMS值的灵敏度，动态范围和精度的不同组合，引用一些关键规范。每种类型都使用非常不同的内部电路设计和IC工艺。

今天的射频集成电路可以提供并超越几年前实现的难度和成本高的性能，以及功耗更低的小型封装。结果，许多不使用RF功率检测或仅采用近似方法的应用现在能够受益于更复杂和准确的技术。在通常的产品反馈环路中，改进的组件可以驱动更好的系统，从而推动对更好的组件的需求，当今的系统需要更高级别的检测器功能，以实现高性能，低成本，低功耗和小型化足迹。

大多数RF设备必须监控并控制其RF功率输出，以符合政府法规，最大限度地减少RF干扰，并最大限度地降低功耗。发送器也出于以下原因这样做：1）最小化发射功率以增加运行时间; 2）最小化功耗。

对于接收信号路径，RF功率检测也是一项关键功能。需要监视接收的RF功率以调整增益，其中RSSI（接收信号强度指示器）用于通过AGC（自动增益控制）电路控制RF/IF信号链的增益，以保持恒定，优化的信号电平，用于后续的模数转换（如果有的话）和解调。 RSSI信号还用于控制发送信道，以便最小化发送功率，同时还保持可接受的最小BER（误码率）。由于这些原因，精确的RF功率检测在接收器和发射器中都很重要。

请注意，此RF功率检测与RF功率测量不同，尽管术语中存在一些混淆，模糊和重叠。 RF功率检测通常用于指代由电子电路内的电压（和电流）表示的RF功率的测量（通常作为相对值）;相反，RF功率测量是直接测量空间或空中RF无线信号的功率（通常作为绝对值）。

对于前一种情况，电路中使用了各种IC和模块;对于后者，专用传感器（通常基于热电偶）拦截撞击的RF能量，然后将其热能转换为对应于RF功率的电压。 [回想一下，功率和能量是密切相关的参数：能量是功率的时间积分，而功率是能量的时间导数，即能量接收或来源的速率。

有三个用于解决RF功率检测问题的架构，它们通常用RF IC实现（尽管在某些特殊情况下，必须采用模块或混合技术）：均方根（RMS），对数（log）和肖特基峰（也称为信封）。当然，每个都涉及不同的内部电路。从用户角度来看，每个都具有性能属性，使其成为特定频率范围，响应时间和信号形状以及成本和功耗问题的更好解决方案。无论何种类型，所有RF功率检测器都有详细的数据表，其中包含大量图表，详细说明了关键参数的各种变化的性能。

RMS功率检测

RMS功率检测器产生的直流电压与均方根（RMS）输入功率的对数成线性比例，直接缩放为mV/dB 。这些探测器具有高线性度，在40 dB范围内通常优于±1 dB，并且可以在GHz范围内工作。精心设计的RMS测量IC可以提供精确的RF功率读数，在±0.2 dB范围内，即使波形内容具有高波峰因数（信号的峰值与RMS值之比）。

这使得这些探测器非常适合在测量扩频CDMA/W-CDMA，OFDM，WiMax和高阶QAM调制系统中发现的复杂波形时评估射频功率的挑战，这些系统的波峰因数可以为10到10 15分贝。这种波形存在于LTE，3G，4G和5G无线设备中，主要是智能手机，特别是蜂窝基站（其要求比手机本身要求更高）。

具有代表性的RMS探测器是凌力尔特公司的LT5581，工作频率范围为10 MHz至6 GHz，动态范围为40 dB，适用于GSM/EDGE，CDMA，CDMA2000，W-CDMA，TD-SCDMA，UMTS，LTE和WiMAX等无线标准等等。它以线性标度输出与RF输入信号功率成比例的线性标度，单位为dBm。 RMS探测器采用专有技术精确测量-34 dBm至+6 dBm（2.14 GHz）调制信号的RF功率，波峰因数高达12 dB。

图1显示LT5581在整个工作范围内用作功率放大器电平控制，使用定向耦合器作为功率传感器。由于它所监测的波形类型将具有不同的波峰因数，因此供应商提供了一个图表，显示了不同功率水平下的波峰误差（图2）。

图1：LT5581 RMS射频检测器可用于评估10 MHz至6 GHz的RF PA功率，此处使用PA输出和天线输入之间的定向耦合器进行显示。

图2：由于LT5581用于多种信号类型，并且性能取决于被监测信号的波峰因数，因此数据表显示其与各种信号的线性关系格式功率检测

对数放大器检测器（有时称为连续检测对数视频放大器）提供的直流输出电压与其对数线性成比例输入功率;他们没有回应RMS值。它们非常适合测量宽动态范围的信号，从DC到微波频率，最高可达100 dB。它们具有非常高的灵敏度，因此非常适合极低的信号电平。精度在±0.2 dB范围内，与RSSI和TSSI（发射信号强度指示器）功能的需求兼容。对于脉冲RF信号，日志类型可能是一个很好的选择，因为它的响应时间很快（大约为nsec）。

对数探测器解决了确定电路增益的另一个问题。这通常需要将输出功率读数除以输入读数。这样做对于高速模拟电路来说是足够困难的操作，但由于信号频率的原因，通过数值计算处理是完全不切实际的。输入和输出必须都被数字化，然后使用极高的计算工作量;即使技术上可行，也会造成成本高昂并消耗相当大的功率。然而，当使用两个对数检测器时，可以通过从输出读数中减去输入信号读数来测量电路的功率增益，这可以使用简单的模拟减法电路来完成。

此类功率检测器的一个例子是德州仪器（TI）的LMV225（图3），旨在用于450 MHz至2 GHz的CDMA和WCDMA应用。其输出是精确的温度和电源补偿电压，与输入功率线性相关，以dBm为单位，在30 dB动态范围内。在典型应用中，它用于PA功率控制（图4）。典型的RF功率检测器，数据表包括许多基本性能曲线以及显示由于参数变化引起的行为的图表（图5）。

图3：LMV225对数检波器由三个10 dB级组成，总范围为30 dB。

图4：LMV225的一个常见应用是通过一个小RC来测量发射链功率放大器的相对输出阻抗匹配网络。

图5：LMV225输出电压和对数性能与2 GHz射频输入功率的关系曲线显示了射频检测器特性的复杂性。

峰值检测

RF肖特基峰值（包络）检测器将基于肖特基二极管和缓冲放大器的温度补偿峰值检测器组合在一个小型封装中。这是经典模拟峰值检测器的高频RF实施例，原理上是一个简单的电路，它只需要一个二极管，缓冲放大器和小值保持电容来跟踪信号的“包络”，从而提供输出这是该信封的峰值。

在RF优化版本中，使用片内肖特基二极管检测输入电压峰值，以实现最低压降和最快响应;检测到的电压被缓冲并出现在放大器输出端。该探测器非常适用于雷达等应用，其中接收信号的形状不如其峰值重要，后者提供诸如目标类型和雷达截面等信息。通常还选择它来解决TSSI/RSSI电路，功率放大器（PA）线性化和宽带功率监测中的问题。

峰值检测器具有非常快的响应，这也很重要，因为许多雷达信号（以及它们的返回回波）发送非常短的脉冲以最小化信号“阴影周期”，在此期间接收的回波被发送脉冲遮蔽。主要应用包括电子战，智能和对策，以及宽带测试和测量。

Maxim MAX2204是一款峰值检波器，工作频率范围为450 MHz至2.5 GHz（图6），具有输出电压随着输入功率的增加，在-16 dBm至+5 dBm的检测范围内单调增加。小型SC-70 5引脚IC可补偿温度和工艺偏移，在全输入功率下输出变化小于±0.5 dB，在较低功率时小于±1.5 dB。它还具有几百微秒的响应时间（图7），与无线和蜂窝应用相当（请注意，高性能雷达系统的峰值检测器的响应时间要快几个数量级，但具有更高的功耗和成本）。

图6：Maxim MAX2204 RMS功率检测器的检测范围为-16 dBm至+5 dBm。

图7：MAX2204的响应时间与采用450 MHz至2.5 GHz标准的无线设备的需求完全匹配范围。

无论选择哪种射频功率检测器，温度性能始终是一个重要的考虑因素，原因有二。首先，它们使用诸如二极管之类的模拟组件，其具有固有温度系数（温度系数）并因此伴随温度的相关漂移。其次，许多RF功率检测器用于苛刻的应用，例如军事和航空航天设计，其中极低温和高温是不可避免的。

RF功率检测器的供应商通过结合使用包括电路元件的激光微调和巧妙的电路拓扑结构的技术来最小化温度系数效应，其中一些漂移相关的误差相互抵消。但是，这些探测器的用户不仅应该考虑基本的性能规格，例如标称温度下的精度，还要考虑相关极端温度下的规定性能。