RF功率校准技术助力无线发射机

无线发射机可从RF功率测量和控制中获益。正因为这些因素，与其他无线通讯网络共存的监管要求及需要，必须监测和控制无线发射机中高功率放大器(HPA)的RF功率水平。这些测量的精度和准确性可以提高发射机的频谱特性，并极大节约HPA的运营成本。 

　　某种形式PA输出功率的工厂校准，通常作为任何控制PA输出功率计划的一部分来执行。校准算法在其复杂性和有效性方面有着很大不同。本文将集中讨论典型的RF功率控制计划如何得以实现，并将会对各种工厂校准算法之间的效益和效率进行比较。 

　　图1表示了具有RF功率测量和控制功能的典型无线发射机的框图。其中来自HPA的一小部分信号耦合并输入到用于测量的RF检测器。该耦合器位于天线附近，并在双工器和隔离器之后；其相关损耗应包括在部分校准之内。 

　　取决于耦合系数，来自定向耦合器的信号将比输入天线的信号成比例降低(如低于20或30dB)。这种方式中的耦合功率导致一些发送路径中的功率损耗，一般会有几十dB，这取决于定向耦合器的品质。在无线基础架构应用中最高的发射功率一般在+30至+50 dBm(1至100W)，这一来自定向耦合器的信号对RF检测器而言将仍然过大。因此，在耦合器和RF检测器之间一般要求额外的衰减。 

　　现代对数响应RF检测器(logamp)具有30至100 dB的功率监测范围，并提供温度和频率稳定的输出。在大多数应用中，检测器输出被输入到模拟数字转换器(ADC)，以便被数字化。采用储存在非挥发性存储器(EEPROM)中的校准系数，来自ADC的代码被转换成发射功率读数。该功率读数与设定点的功率水平进行比较。如果发现设定值与实测功率之间的任何差异，可以在信号链中许多点之间的任何一点进行功率调节。可以调整驱动射频的基带数据的幅度，可以调整射频或中频(IF)可变增益放大器(VGA)，或者改变HPA的增益的。这样一来，增益控制回路调节自身并在理想限度内保持发射功率。但必须注意的是，电压可变衰减器(VVA)和HPA的增益控制传递函数通常相当的非线性。因此，自某一增益调整的实际增益变化是不确定的。这加剧了对控制回路的需求，该回路在改变设置和随后迭代的进一步引导上提供了反馈。 

　　在图 1的系统中，几乎没有器件提供很好的绝对增益精度规范。通过确定±1 dB的发射功率误差来表示其影响。器件的绝对增益，例如HPA、VVA、RF增益模块，以及信号链中的其它器件，一般从器件到器件变化很大，从而达到造成输出功率不确定性将明显大于±1dB的程度。此外，信号链增益会随温度和频率变化而有所不同。因此，必须不断测量发射功率。 

RF功率校准技术助力无线发射机 

输出功率校准可以定义为对传输到系统的高精度外部参考进行校准。校准过程通常涉及到切断与天线的连接，并连接外部测量参考，例如RF功率计，为了向发射机的集成功率检测器传递或克隆功率计的高精度。校准过程包括设定一个或更多的功率水平，采用来自功率计的读书和来自RF检测器的电压，并将全部这些信息储存在非易失性 EEPROM中。采用这些存储的信息，发射机可以精确调节器自身功率，而不必与功率计进行连接。例如放大器增益与温度关系、发射频率，以及理想输出功率水平变化等参数，(已校准)板上RF检测器的作用就像一台具有绝对准确性的内置功率计，这将保证该发射机永远在规定的容差内发射理想功率。 

　　在该系统RF检测器温度和频率内，该传输函数的线性度和稳定性强烈影响着校准过程的复杂性和7个可获得的后校准精度。图2表示了RF 指数放大器的传输函数的行为与温度的关系，该图为了进行解释说明而进行了放大。三条3曲线显示出：在+25°C、+85°C和-40°C下输出电压与输入功率的关系。在+25°C下，检测器的输出电压范围从输入功率为-60 dBm的大约1.8伏到输入功率为0 dBm的0.4 V。传输函数紧随一条直线，这条线覆盖了这一痕迹。传输函数在末端偏离了这一直线，在-10和-5 dBm功率水平也有一些非线性行为的例子。 

　　快速计算表明，这种检测器有大约-25 mV/dB的斜率：输入功率1 dB变化将导致25 mV的输出电压变化。这个斜率在动态范围的线性部分为常数。因此，尽管有大约为-10 dBm的轻微非线性，但还可以得出结论，在+25°C下该传输函数的行为，可以采用一个公式1形式的简单方程来建模： 

　　其中，INTERCEPT = 外推的直线与图中x轴交叉相吻合的点。 

　　从校准方面来看，这一简单的公式是有用的，这是因为它将通过采用和测量与校准过程中两个不同功率水平一样低的功率，来建立检测器的传输函数。 

　　考虑温度上图2中这一假设的检测器的行为。在输入功率为-10 dBm时，从约为室温到-40 ℃或+85℃，输出电压随温度的变化大约为100 mV。根据早先对检测器坡度计算为-25mV/dB，这相当于在± 4 dB测量功率下的偏差，这一偏差对大部分使用系统而言实在太大(现实的RF检测器通常也有介于0和+/-0.5 dB之间的温度漂移)。实践中，所需要的是传递函数具有最小漂移随温度的检测器。这将保证在工作温度范围以上的常温下实现校准过程也将是有效的。这使得发射机在常温下实现工厂校准，并在炎热或寒冷温度下避免昂贵而耗费时间的校准周期。

如果发射机频率变化迅速，并且需要在多种频率下按照确定的频段发送信号，作为频率函数的检测行为也非常重要。最理想的是，RF检测器按照确定的频段呈现的反应变化并不显著。这使得有可能在单个频率下校准发射机，并且随频率变化的精度损失很少或根本没有。 

　　图3 表示了发射机校准的流程图，该图与图1中所述相似。简单而快捷的两点校准允许大致设定功率水平(但功率水平必须进行准确测量)。其有效性依赖于集成RF检测器随温度和频率变化的稳定性，并具有可采用公式1进行建模的可预测响应。发射机的工作功率范围也应符合RF检测器的线性工作范围。 

　　校准过程始于将功率计连接到天线，并设定接近于最大的功率水平。测量天线连接器的功率，并将其传送给发射机的电路板上微控制器或数字信号处理器(DSP)。在同一时间内，通过模拟数字转换器(ADC)来测量RF检测器的输出电压，并且将其读数提供给发射机的处理器。 

RF功率校准技术助力无线发射机 

其次，发射机的输出功率减少到一定程度，即接近最低功率，并且重复这一过程(测量天线连接器和采样RF检测器ADC的功率)。与这四个读数(低和高功率水平，低和高ADC编码)，可以计算出SLOPE和INTERCEPT(见图3)，并将其储存在非挥发性存储器中。 

　　图4 表示了校准之后，在发射机中精确设定功率的流程图。在这个例子中，其目标就是要有一个发射功率误差，其小于或等于±0.5 dB。最初，在最佳优先推测的基础上来设定输出功率水平。接下来，对该检测器的ADC进行采样。从存储器取回SLOPE和INTERCEPT的值，并且计算所发射的输出功率水平。如果输出功率不在设定功率水平PSET的±0.5 dB之内，使用电压可变衰减器(VVA)增加或减少输出功率大约0.5 dB。在这里使用术语“大约”是因为有可能VVA本身具有非线性传输函数。再次测量发射功率，并进一步增加功率，直到发射功率误差小于±0.5 dB。一旦功率水平在容差之内，进行持续监测，并且如果有必要的话，要进行调整(例如，如果信号链中的一个组分随温度有显著的增益漂移)。 

RF功率校准技术助力无线发射机 

图5 (a)到5(d)表示了来自同一个RF检测器的数据，但使用了不同的选择和数量的校准点。图5(a)表示了2.2 GHz下AD8318型检测器的传输函数，宽动态范围的RF对数检测器工作至8 GHz。在这种情况下，已经采用两点校准(在-12和-52 dBm)对检测器进行了校准。一旦校准完成后，可以画出剩余的测量误差。注意的是误差并不是零。这是因为对数放大器并不完全遵照理想的输出电压 (VOUT)与输入功率(PIN)的方程(VOUT = SLOPE(PIN – INTERCEPT)，即使在其工作区域内。然而，根据定义，在校准点的误差将等于零。 

　　图5(a)还包括了-40和+85℃之间的输出电压误差图。使用+25℃ SLOPE和INTERCEPT校准系数来计算这些误差图。除非将采用某种以温度为基础的校准程序，否则有必要依靠+25℃的校准系数，并且承认有微小的剩余温度漂移。

 

RF功率校准技术助力无线发射机 

在许多应用中，可取的做法是，当在最大功率下发射HPA时有更高的精度。一方面，可能会有规范要求在全部或额定功率下需要更高水平的精度。不过，从系统设计的角度来看，额定功率下增加精度也是有价值的。考虑用于发射+45 dBm(大约30 W)输出功率的发射机。如果校准可以提供最高±2 dB的精度，然后必须设计HPA电路(功率晶体管和散热片)安全地发射高达+47 dBm或50 W的输出功率，这是一项昂贵的有余量设计。但是，如果系统可以被设计为具有±0.5 dB的后校准精度，HPA仅必须是超尺寸的，以便其能够安全发射45.5 dBm或约36 W的功率。 

　　通过改变其中进行校准的点，在某些情况下，可能极大影响可以达到的精度。图5(b)表示了与图5(a)一样的测量数据，但从-10至-30 dBm具有很高的精度(大约±0.25 dB)。 

　　图5 (c)表示了如何在牺牲线性度的情况下，移动校准点来增加动态范围。在这种情况下，校准点为-4和-60 dBm。这些点在器件线性范围的底部。再次，在+25℃下校准点0 dB误差是显而易见的。还要指出，超过了AD8318保持小于±1 dB的误差，在+25°C下将范围扩展至60 dB，并且在该温度以上为58 dB。这一办法的缺点是，增加了整体测量误差，尤其是在检测器范围顶部的情况下。 

　　图5(d)表示了使用更精细的多点算法的后校准误差。在这种情况下，将多输出功率水平(在这个例子中间隔6 dB)应用于发射机，并使用每个功率水平下的检测器输出电压进行测量。这些测量被用于将传输函数分成几段，每段拥有自己的SLOPE和 INTERCEPT。这种算法往往可以极大减少由检测器非线性所导致的误差，并使温度漂移成为主要的误差来源。这种办法的缺点是，校准过程需要更长的时间，并需要更多的内存来存储多个SLOPE和INTERCEPT校准系数。 

　　在需要高精度RF功率传输的应用中，通常需要某种形式系统校准。基于现代集成电路(IC)的RF功率检测器，具有预测响应以及良好的温度和频率稳定性，可以大大简化系统校准，并可以提供± 0.5 dB或更好的系统精度。校准点的位置和数量可以对可达到的后校准精度产生显著的影响。