测量CDMA2000和W-CDMA高功率放大器中的射频功率

CDMA2000 和 W-CDMA 基站中使用的高功率放大器 （HPA） 设计人员在实现精确的发射功率测量方面遇到了许多挑战。复杂性包括高峰均比、随基站呼叫负载变化的峰均比、较大的工作温度范围和较大的发射功率范围。利用精确的RMS输出功率测量，HPA制造商可以降低他们设计的最大功率。本文介绍了几种在整个温度范围内精确测量和控制RMS功率的方法。

CDMA2000和W-CDMA等复杂调制方案具有较大的峰均比。对于给定的最大平均输出功率要求，由于基站频谱模板和EVM要求，随着峰均值的增加，设计的最大功率要求通常会增加（或线性化要求增加）。如果调制信号的峰值被削波，三阶失真将会增加，导致基站无法满足其频谱模板要求。削波调制信号的峰值也可能导致数据丢失，使系统无法满足其EVM要求。根据峰值功率传输要求设计HPA是昂贵的，但却是必要的。增加的费用是由于电气元件的成本增加和HPA效率的降低。始终存在与HPA功率设计的最大功率相关的$/W，并且将HPA运行在其饱和点以下是低效的。效率的降低会增加HPA模块的成本，因为它会增加用于散热的机械结构的成本，尺寸和重量，降低HPA的可靠性并增加其运营成本。

降低HPA的最大设计功率对HPA制造商来说很重要。HPA的饱和点越接近其平均功率，HPA的效率和成本效益就越高。有许多技术用于使HPA的饱和点尽可能接近平均发射功率，但这些技术都受到系统测量输出功率能力的限制。HPA的最大设计功率需要通过RF功率测量容差（包括随温度的变化和峰均比）来增加，以确保频谱模板和EVM合规性。这使得射频功率测量系统的精度对于降低HPA的成本和效率至关重要。

CDMA2000和W-CDMA调制方案不仅具有较大的峰均值，而且峰均值随特定基站的呼叫量而变化。例如，在CDMA2000 IS-95A中，前向链路波峰因数仅为导频的6.6 dB，12个通道为64 dB（不使用CF减少技术）。较大的峰均值会导致非RMS响应RF功率检波器出现误差。如果调制方案的大峰均比保持不变，则可以在生产中校准出来，但基于用户数量的峰均比变化更难处理。这需要跟踪系统上有多少用户，严格控制正在使用哪些Walsh代码，以及一个非常大的查找表，以便知道特定时间信号的峰均比。更好的选择是使用 RMS 响应检测器。与二极管检波器或对数放大器不同，RMS响应检波器在很大程度上不受波峰因数变化的影响。图1显示了高性能对数放大器（AD8318）与RMS响应检波器（AD8364）的误差，这是CDMA2000 IS-95A基站TX部分波峰因数变化（用户负载）的结果。请注意，AD8318的输出在CW和3通道CDMA5 IS-86A之间变化64.2000 dB（或95 mV），在仅导频和2通道CDMA4 IS-64A之间变化2000.95 dB，而AD8364的输出仅变化0.1 dB（或5 mV）。二极管检波器的行为类似于对数放大器，其输出电压随检测信号的波峰因数而变化。如果该系统中使用对数放大器进行功率检测，则需要通过信号处理消除检测到的功率的2.4 dB变化，或将其添加到HPA中设计的最大功率值。

图 1：RMS 响应 RF 检波器 （AD8364） 与非 RMS 响应 RF 检波器的误差显示了峰均比对功率检测的影响。非RMS响应RF检波器（AD8318）因其输入信号的峰均比变化而表现出显著的测量误差，而RMS响应RF检波器（AD8364）在很大程度上不受峰均比变化的影响。

RMS响应RF检波器（AD8364）与非RMS响应RF检波器的误差显示了峰均比对功率检测的影响。非RMS响应RF检波器（AD8318）因其输入信号的峰均比变化而表现出显著的测量误差，而RMS响应RF检波器（AD8364）在很大程度上不受峰均比变化的影响。

能够准确测量HPA工作温度范围内的RMS功率对于确定HPA的最大设计功率也至关重要。这种测量的精度（或缺乏）需要直接添加到设计的最大功率中，除非在整个温度范围内执行困难且昂贵的校准过程。与HPA输出功率检测有关的所有组件（例如定向耦合器、衰减器等）都会随温度增加误差，但大多数组件在HPA的工作温度下变化很小。通常，测量HPA输出功率随温度变化的精度与探测器的温度性能直接相关。近年来，RF检测技术在创建在整个温度范围内具有非常稳定的响应（在–5°C至+ 40°C范围内优于±.85dB）的器件方面取得了长足的进步。图2显示了双通道RMS响应功率检波器AD8364的温度性能。该数据是在+25°C（黑色）、–40°C（蓝色）和+85°C（红色）@ 450 MHz下拍摄的。它包括来自多个生产批次的至少 30 个器件的电压和温度误差（环境校准后）与输入功率的关系。每个部件的行为随温度变化略有不同。

图 2：当温度从 –8364°C 循环到 +450°C 时，ADI AD40 输出电压和对数一致性误差与引脚 （@ 85 MHz） 的变化很小。 对于来自不同生产批次的 30 个器件来说，情况仍然如此，即使性能随温度略有不同。

当温度从–8364°C循环到+450°C时，ADI公司的AD40输出电压和对数一致性误差相对于引脚（@ 85 MHz）的变化很小。 对于来自不同生产批次的 30 个器件来说，情况仍然如此，即使性能随温度略有不同。

不仅必须准确测量HPA的最大输出功率，而且还需要测量HPA整个发射功率范围内的输出功率，尽管较低功率水平下的精度有时并不那么重要。但是，在大动态范围内测量的精度与检波器和ADC分辨率有关。图3显示了两个RMS响应检波器AD8364和ADL5500的输出。ADL5500与输入RF信号的均方根电压呈线性关系，AD8364与输入RF信号的均方根功率（dB）呈线性关系。根据对较低功率水平下的动态范围和精度的要求，ADL5500使用的ADC所需的分辨率可能远高于AD8364。系统要求将决定哪种检波器/ADC将根据较低功率水平下的精度和动态范围要求提供最具成本效益和最容易实现的解决方案。

图 3：将输出与输入 RMS 功率（以 dBm 为单位）成线性的检波器（ADI AD8364）与输出与输入 RMS 伏特呈线性关系的检波器（ADI ADL5500）进行比较，可以看出动态范围的差异，并强调了选择具有适当分辨率的 ADC 的必要性。

将输出与输入RMS功率（以dBm为单位）成线性的检波器（ADI公司AD8364）与输出与输入RMS电压成线性关系的检波器（ADI公司ADL5500）进行比较，可以发现动态范围的差异，并强调选择具有适当分辨率的ADC的必要性。

在某些情况下，使用模拟反馈环路精确控制系统的功率或增益可以提高性能并取代简单的功率检测。目前提供的许多检测器除了检测功率外，还可以使用模拟反馈环路（即控制器模式下使用的检测器）来控制功率。如果在控制器模式下使用RMS响应检测器，则可以非常准确地设置功率与输入功率、温度和波峰因数的关系。该功率可以非常精确地设置，并且可以使用由ADC控制的模拟电压来改变其电平。在控制器模式下使用功率检测器来精确控制HPA的输入或输出功率将是一个理想的应用，因为它将消除检测输入或输出功率的需要。在控制器模式下，检波器确定其输入端的功率并调整VGA（或可变衰减器），直到检测到的功率与功率控制输入电压设置的功率一致。图4所示为在控制器模式下用于控制输出功率的RMS响应检波器（AD8364）的基本原理图。图5显示了当VGA由AD8364（双RMS响应对数检波器）的一侧控制时，整体电路性能与输入功率和温度的关系。请注意，只要AD8364的功率电平设置正确，就可以在VGA和耦合器之间放置HPA，如果控制电压设置正确，则可以使用任何VGA（或可变衰减器） 输入功率范围将接近检波器的可检测功率范围（60 dB， 在AD8364的情况下）。

图 4：在控制器模式下，检波器确定其输入端的功率并调整 VGA（或可变衰减器），直到检测到的功率与功率控制输入电压 （VSTA） 设置的水平一致。

图 5：当ADI公司AD8364双通道RMS响应检波器的一侧用于控制系统功率时，检波器输入端（和Pout处）的功率与输入功率和温度（小于±.1 dB）保持恒定。

在控制器模式下，检波器确定其输入端的功率并调整VGA（或可变衰减器），直到检测到的功率与功率控制输入电压（VSTA）设定的水平一致。

当ADI公司AD8364双通道RMS响应检波器的一侧用于控制系统功率时，检波器输入端（和Pout端）的功率与输入功率和温度（小于±.1 dB）保持恒定。

在控制器模式下工作的双RMS响应检测器也可用于非常精确地控制HPA的增益与输入功率、温度和波峰因数的关系。如果HPA模块的增益在输入功率、温度和波峰因数上得到足够精确的控制，则不必报告HPA模块的输出功率，但与馈送功率直接相关。如果双路检波器的两个输入都置于控制器模式，则检波器确定每个输入端的功率并调整VGA的增益，直到检测到一个输入端的功率等于另一个输入端的功率。图6显示了用于控制系统增益的AD8364（双RMS检波器）的基本原理图。图 7 显示了此设置的性能。需要精确控制的所有内容都应包含在两个耦合器之间。请注意，可以使用VGA、可变衰减器甚至HPA的偏置来控制增益。如果检测器和VGA之间的控制电平设置正确，功率电平设计正确，则可用输入功率范围将接近检波器的可检测功率范围（AD60为8364 dB）。

图 6：当双路检波器的两个输入都用于控制器模式时，检波器将控制 VGA（或 VVA 等），以均衡它在两个 RF 输入端检测到的功率。系统的增益将由用于设置双检波器检测到的功率的耦合器和衰减器决定。

图 7：当ADI公司的双通道RMS检波器（AD8364）的两个输入都置于控制器模式时，增益相对于温度和输入功率的控制优于±.15 dB，动态范围几乎等于RMS检波器的动态范围。

当双检波器的两个输入都用于控制器模式时，检波器将控制VGA（或VVA等），以均衡其在两个RF输入端检测到的功率。系统的增益将由用于设置双检波器检测到的功率的耦合器和衰减器决定。

当ADI公司的双RMS检波器（AD8364）的两个输入都置于控制器模式时，增益相对于温度和输入功率的控制优于±.15 dB，动态范围几乎等于RMS检波器的动态范围。

CDMA2000和W-CDMA系统中使用的HPA的RF功率检测相关的许多挑战都可以使用RMS响应RF检波器来解决。由于峰值与平均值随基站负载、较大的工作温度范围和较大的发射功率范围而变化，因此检测到的功率变化现在可以管理。现在有了新的方法来控制功率和增益，足够精确，无需检测功率。所有这些都使HPA制造商能够降低成本，提高其HPA的可靠性。

审核编辑：郭婷