免校准回波损耗测量

作者：Eamon Nash and Kieran Barrett

有线或无线发射器中的回波损耗是向负载输送电力时发射功率与反射功率的比值。它是描述传输效率的关键参数，可用作负载反射回电源的过大功率的指标。在天线回波损耗较差的无线发射器中，高水平的反射功率会损坏驱动天线的功率放大器。

本文介绍了一种在宽频率范围（2 GHz至26 GHz）内实时精确测量有线或无线发射器回波损耗的新方法，而无需任何系统校准。

电路操作

图1显示了测量RF放大器与其负载之间回波损耗的完整电路;负载将是实用无线系统中的天线。入射和反射功率使用频率范围为 2 GHz 至 26.5 GHz 的宽带定向耦合器进行检测。

图1.功能框图。

RF开关用于交替连接到定向耦合器的耦合和隔离端口。RF开关上的控制线使用负逻辑CMOS控制电路定期切换。吸收式RF开关用于确保定向耦合器的两个端口始终以50 Ω端接。然后，开关的耦合RF信号输出驱动ADL6010的输入，ADL6010是一款工作频率为500 MHz至43.5 GHz的宽带微波检波器。

AD7091R 12位ADC以1 MSPS的速率对ADL6010 RF检波器的输出进行采样。这将检测器的模拟输出电压转换为数字代码。使用正向和反向代码，无需系统校准即可计算回波损耗。

免校准回波损耗测量和计算

图2显示了ADL6010集成微波二极管检波器在直流输出电压与交流输入电压方面的传递函数。该探测器的检测范围为 45 dB，工作频率范围为 500 MHz 至 43.5 GHz。

图2.ADL6010 集成二极管检波器传递函数（V）外与 V在.

该器件具有所谓的线性 V/V 传递函数。这意味着，当输入功率在其45 dB线性工作区域内（约–30 dBm至+15 dBm或7.1 mV rms至1.3 V rms）时，直流输出电压与输入交流电压成正比。与传统的基于肖特基二极管的检波器不同，没有平方律的工作区域。这会产生一个传递函数，可以使用简单的线性方程进行建模：

其中 m 是 V/V 中的斜率，b 是 y 轴截距。

用以dBm为单位的功率重写这个等式，我们得到：

其中R是系统阻抗，通常为50 Ω。

功率检波器的输出响应在温度、频率和器件之间会有所不同。因此，上一个等式中m和b的值会有所不同，通常必须使用校准来确定。

为了使用输出电压反向计算检波器的输入功率，需要在每个频率和每个器件上进行校准。但是，在图1所示电路中，我们只是尝试测量回波损耗。由于正向和反向功率由同一检测器测量，因此可以证明回波损耗可以使用以下公式计算：

其中 VF和 VR是RF开关分别将定向耦合器连接到定向耦合器的正向和反向耦合端口时检测器的测量输出电压。当y截距（b）接近零时，这个方程成立，这个特定的探测器就是这种情况（见图2）。

这个方程很重要，因为m项和b项不再存在。这意味着无需任何系统校准即可测量精确的回波损耗。

实际上，使用图1中ADC的代码来执行计算。所以最后一个等式变成：

同样，由于ADC的y轴截距接近0，因此我们无需对ADC进行任何校准即可测量精确的回波损耗。

反射系数甚至更容易计算，因为对log（x）计算的要求消失了。这得到等式：

VSWR可以使用以下公式计算：

测试结果

图3显示了当回波损耗为20 dB时，在2 GHz时测得的回波损耗与输入功率的关系。

图3.回波损耗测量结果。

为了模拟回波损耗为20 dB的天线，将具有开路输出的9 dB衰减器连接到定向耦合器的输出。理想情况下，这应该会导致18 dB的回波损耗。但是，当考虑到电缆损耗、连接和耦合器插入损耗的影响时，该测试负载的真实回波损耗被确定为约20 dB。

从图3的图表可以看出，对于0 dBm至+25 dBm的输入功率，测得的回波损耗仍然接近20 dB。高于和低于这些电平，测得的回波损耗会显著降低。在高端（这是由于检波器输入端的功率超过其饱和点+15 dBm），由于耦合系数和开关的插入损耗，通过定向耦合器的+27 dBm功率在RF检波器上显示为+15 dBm。

在低端（输入功率低于0 dBm），误差是由检波器的灵敏度引起的。0 dBm输入功率从–20 dBm的负载反射回来。通过耦合器和RF开关，该电平下降约12 dB，到达检波器的功率电平约为–32 dBm，低于ADL6010检波器的输入灵敏度。

选择定向耦合器

每个定向耦合器都有一个耦合端口和一个隔离端口，如图4所示。正向耦合信号出现在耦合输出端，负载反射的信号耦合到隔离端口。在大多数定向耦合器上，隔离端口通过永久、不可拆卸的 50 Ω端接端接。对于此应用，选择Marki微波C10-0226有多种原因。该器件具有宽工作频率范围（2 GHz至26 GHz），覆盖了ADL6010检波器范围的重要部分。在此范围内，它的输入回波损耗和方向性为20 dB或更好。为了测量负载上20 dB的回波损耗，耦合器本身的方向性和输入回波损耗必须至少超过该数字。

图4.射频定向耦合器。

C10-2226 耦合器上的隔离端口没有固定端接。相反，用户可以连接 50 Ω SMA 负载以实现正常运行。但是，在这种情况下，我们利用此功能并使用隔离端口来测量反向功率。因此，我们实际上有一个可以感知入射和反射功率的设备。

耦合器的耦合因数为10 dB。耦合因数对电路电平规划有显著影响，如图5所示。为了优化电路的检测范围，天线端口的最大功率应映射到检波器的最大输入功率。因此，在本例中，10 dB耦合因数（以及RF开关的2 dB插入损耗）和检波器的最大输入功率+15 dBm将天线端口的最大功率设置为+27 dBm。如果需要更高的输出功率，则可以使用具有更高耦合因数的定向耦合器。这样做的好处是耦合器插入损耗略低。或者，可以在开关的输出和检波器的输入之间插入额外的衰减。

图5.电路级规划。

在实际电路中，表面贴装定向耦合器可能更可取。这些器件的插入损耗往往与此处使用的连接器耦合器相似。但它们的带宽、方向性和隔离度往往没有那么好。

射频开关选择注意事项

本应用使用HMC547LC3开关。这是一款单刀、双掷、非反射开关，输入频率范围为 dc 至 28 GHz，高速开关时间为 6 ns。

该开关的非反射特性对于整个电路的正确操作至关重要。如果没有开关未连接时输入端的虚拟 50 Ω负载，定向耦合器将无法正确端接。

在此应用中，开关的插入损耗并不重要。开关的插入损耗有效地增加了定向耦合器的耦合系数。此外，由于正向和反向电源通过同一路径路由，因此任何随温度和频率的变化都会抵消。开关和耦合器将电路的工作限制在最大28 GHz。为了将电路工作到ADL6010检波器的最大输入频率，必须使用更高频率的开关。

ADC 选择注意事项

AD7091R是一款12位逐次逼近寄存器SAR ADC。这是一款低功耗ADC，典型值为349 μA，吞吐速率高达1 MSPS。可以使用较低的吞吐率，从而降低功耗。

选择该ADC主要是因为它具有足够的分辨率来检测ADL6010检波器在其整个输入范围内的输出电压。检波器的所谓线性V/V传递函数（如图2所示）意味着以V/dB为单位的增量输出斜率随输入功率而降低。因此，选择了12位ADC，以便即使输入功率处于检波器输入范围的底端，也可以解决小于1 dB的输入功率变化。

在该电路的实际实现中，来自ADC的每个数字代码通过3线SPI接口传输到PC。然后，PC上的软件例程计算并显示回波损耗。

测量正向和反向耦合信号以及计算回波损耗所需的时间约为1.4 ms——每个周期收集500个正向样本和500个反向样本。大量样本提供平均，这在信号包络快速变化的应用中是必需的。此外，在检波器的输出和ADC的输入之间放置了一些低通滤波（一个简单的R至C电路，没有任何缓冲），以提供额外的平均。

该软件程序大约需要400 μs来执行正向和反向采样之间的切换操作。这导致更新速率为 1.4 毫秒。

在开关速度更快的情况下，也可以使用替代采样方案（上例中的开关速率受控制软件限制，而不是开关本身）。

射频功率测量

到目前为止，重点一直是测量回波损耗，而无需进行任何校准。通过增加简单的校准程序，该电路还可用于精确测量发射功率。图6显示了输入功率在2 GHz时扫描的位置，并使用ADC的代码以及校准期间获取的m和b值进行反向计算。

图6.当电路用于测量绝对RF输入功率时测量的功率与施加的功率。

结论

所描述的电路为测量精确回波损耗提供了一种方便的解决方案，其中无法或不希望执行校准。它的绝对功率检测范围为 45 dB。这允许在25 dB的RF功率范围内测量高达20 dB的回波损耗。绝对功率范围可以从最小范围0 dBm向上扩展至+25 dBm。

虽然所使用的RF检波器的输入频率范围为500 MHz至43.5 GHz，但电路的频率范围通常会受到所使用的RF开关或定向耦合器的限制，尤其是在使用表面贴装耦合器的情况下。

审核编辑：郭婷