基于二极管检波的功率测量技术研究

1、引言

功率是表征微波信号特征的一项重要参数。近年来，随着数字无线通信、雷达、广播电视等通信技术的迅速发展，各种调制技术所采用微波信号的频率范围、功率电平、调制方式和信号频谱各不相同，如何根据具体的应用，选择不同的功率测量方案，从而实现功率的准确测量，是电子测试和无线应用科研人员必须面对的一个问题。

本文在探讨微波功率传感技术的基础上，重点讨论了二极管功率检波技术及其实现电路，并结合TD-SCDMA信号的功率测试需求，给出了较为典型的功率测量解决方案。

2、二极管功率传感技术

射频、微波和毫米波频段功率测量常采用终端式测量方法[1,2]。终端式功率计主要包含功率探头和功率计主机两部分，功率探头利用某种能量转换装置将微波功率最终转换为可测的电信号，然后在功率计主机测量通道内，经过模拟信号调理、AD转换电路，由CPU和DSP进行软件补偿、校准等一系列处理后，获得精度可靠、一致性好的测量结果。

功率传感技术是功率测试仪器的核心，目前已经由最初的热敏电阻式过度到热电偶式和二极管检波式。下面分别逐一介绍。

2.1 热敏电阻式和热电偶式功率测量技术

热敏电阻式功率探头是利用温度变化引起电阻阻值变化的原理工作的，这种温度变化来源于微波信号在测热电阻元件上耗散的能量。热敏电阻功率计由于测量功率范围小、测量速度低等原因，已经逐渐被二极管式和热偶式功率计代替，但由于热敏电阻功率探头内热敏电阻所吸收的射频功率与热敏电阻上的直流替代功率有相同的热效应，可以认为是"闭环"的，稳定性很好，因此在功率溯源方面仍用于功率标准的传递。

热电偶式功率探头能够吸收微波热量并将其转换成不同金属结点上的温差热电势，然后由后续电路处理并最终测得信号的功率值。由于热电偶式功率探头的热电压正比于冷热点的温差，而温差又正比于输入的微波功率，故热电偶式功率计为真正有效值测量，也就是说输出直流电压与输入射频功率始终成正比，因此是真正的平均功率检波器，能实现包括CW、脉冲调制、复杂数字调制和多音信号在内的多种调制信号平均功率的测量。但是，热电偶式功率探头的动态范围只有50dB，最低只能测量-30dBm的功率电平，同时无法进行真正的峰值包络功率的测量。目前已逐渐被高性能宽视频带宽二极管式功率测量仪器所取代。

2.2 二极管检波式功率测量技术

长期以来，整流二极管在微波频段一直用作检波器进行微波信号的包络检波，进行相对功率的测量。随着数字信号处理技术和微波半导体技术的发展，借助于功率线性校准、温度补偿、校准因子等数据修正和校准技术，使得利用二极管实现绝对功率的准确测量成为可能，可实现大动态范围的CW平均功率、调制信号平均功率和宽带峰值功率的测量。

数学上，检波二极管服从于二极管方程

（1）仪器仪表学报
 
        其中，i为二极管电流；Is为饱和电流，在给定温度下为常数；V为跨在二极管上的净电压；α＝q/nkT， q为电子电荷，n是适应实验数据的修正常数，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。从式（1）可以看出，正是该级数的二次及其它偶次项提供了整流作用。对于小信号的整流，只有二次项有意义，从而称该二极管工作在平方律区域，即输出电流或电压正比于射频输入电压的平方。当V高得使四次项不能忽略时，二极管的响应便不再处于平方律检波区，而是按准平方律整流，称之为过渡区，再往上就到了线性检波区。

图1为典型二极管检波器的检波特性曲线和温度特性曲线，其平方律检波区从噪声电平开始（一般可从-70dBm开始）一直延伸到-20dBm左右这一区域，自-20dBm到0dBm为过渡区，0dBm以上为线性区。对于普通检波二极管来说，最大输入功率一般不能超过+20dBm，否则可能烧毁二极管。由于二极管检波特性随温度变化而改变，且二极管检波的灵敏度和反射系数也与温度关系密切，因此必须根据图1所示的功率、温度、误差（即温度补偿系数）的三维曲面，对测量结果进行修正。

现代二极管功率探头常采用图2所示的平衡配置双二极管检波结构，输入的射频信号进入隔直流电容Cc和衰减器，再经过50Ω负载匹配后进入双二极管检波器，两个检波器检波输出的正负直流信号通过视频滤波电容送入前置放大器处理。这种结构能够消除小信号测量时不同金属连接所导致的热效应，能抑制输入信号中偶次谐波造成的测量误差，提高信噪比。

为了拓宽二极管检波的动态范围，需要利用标准CW源对非平方律区的检波测量值进行线性校准和补偿，使探头动态范围达到-70 ~ +20dBm。但是，复杂数字调制信号和脉冲调制信号不是恒定幅度的CW信号。由于检波二极管存在检波电压的非平方律特性，调制信号检波包络各点检波电压的权值不一样，在非平方律区各点利用检波电压求和取得的平均功率误差很大，因此这种使用CW校准源进行动态范围扩展的方案，只适用于全动态范围内的CW平均功率或低电平（小于-20dBm）调制信号的平均功率测量。

作者：赵浩，冷朋   来源：仪器仪表学报