浮思特 | 肖特基二极管如何在手机系统中提高射频功率测量的准确性与效率?

电流和电压确实很重要，但功率给我们提供了更完整和更有用的射频(RF)信息，原因有几个。功率提供了一种更直接和方便的方式来表征射频系统的性能、评估信号强度、优化能量传输、确保安全以及分析系统性能。

 

在大多数射频应用中，功率测量通常比高频电流或电压测量更相关且更易于准确获取。与其他射频仪器相比，功率计在射频功率测量中提供了最高的准确性。这些仪器可以是专用的独立设备，如图1所示的功率计。或者，功率计的功能可以集成到其他测试和测量设备中，例如信号源、频率计和频谱分析仪。

图1

 

射频功率计不提供关于入射射频功率的谱信息。显示的功率读数表示总功率水平。在单色信号的情况下，功率计指示其对应的功率。相反，如果同时存在多个具有不同频率的信号，功率计则显示所有频率成分的射频功率之和。

 

射频功率计主要由两个功能模块组成：

 

1.传感器(或探测器)：这些元件将射频功率转换为相应的电信号，通常是与入射射频功率线性或以某种方式成比例关系的直流电压或电流。

2.功率计单元(或仪器单元)：该单元处理来自传感器的电信号。它进行信号调理和模数转换(ADC)，应用校准因子，根据传感器的特性响应计算射频功率水平，并在显示器上呈现结果功率读数。

可互换的传感器，每个具有特定的性能特征，可以与特定的功率计单元连接。特定传感器的选择由功率测量的具体要求决定，例如频率范围、功率水平、调制类型和所需的准确性。

 

功率计中的传感器

 

在无线电话和高速数据通信系统中进行功率测量时，肖特基二极管是主要选择。图2展示了肖特基二极管的结构和射频特性。如图2a所示，肖特基二极管类似于半导体器件中的常规PN结;然而，p型区域被金属导体所替代，形成金属-半导体结。

 

图2b描绘了电流-电压(I-V)关系。与PN结二极管类似，肖特基结表现出整流特性，但通过适当掺杂n型区域，正向导电几乎在施加正电压后立即启动。这与PN结不同，后者需要大约0.6 V的正向偏置后，才开始显著电流流动。这种整流行为将射频信号转化为一系列正半周期。当这些半周期施加在电容器上时，会产生与入射射频功率成正比的直流电压。

 

图2c展示了肖特基势垒二极管探测器的代表性性能曲线。入射射频功率(以dBm表示)在横轴上描绘，范围从噪声底(约-70 dBm)到+20 dBm。在特定范围内，探测器的输出电压与射频输入功率呈线性关系。这个操作区域通常被称为“平方律”区域，指的是二极管响应的平方律特性。

 

当输入射频功率超过大约-20 dBm时，二极管的传输函数偏离线性，进入不同的操作状态。图2d展示了肖特基二极管性能随着射频输入功率的变化而偏离平方律行为的情况。

 

超过+20 dBm的输入射频功率可能导致二极管的不可逆损坏。相反，在-70 dBm时，整流信号与肖特基二极管固有的噪声底无差别。因此，在没有外部衰减的情况下，功率测量的有效动态范围为90 dBm，从-70 dBm到+20 dBm。

 

许多采用肖特基二极管探测器的射频功率计集成了一个精密的固定值电阻，在高功率水平下切换到信号路径中。该电阻衰减将施加的信号降低到-20 dBm以下，确保在二极管的线性检测区域内运行。通过这种技术，肖特基二极管传感器可以准确测量高达+40 dBm的功率水平。对于更高功率水平的测量，可以在传感器前级联经过校准的外部衰减器，以扩展可测量范围。

图2

 

由于制造变异，每个肖特基二极管在灵敏度(或探测灵敏度)上表现出轻微差异。二极管的传输函数对输入功率水平也展示出一定程度的非线性。此外，其灵敏度受环境温度和施加射频信号的谱宽(或调制带宽)的影响。这些参数变化(或器件特性)在每个传感器的生产过程中被精确量化。

 

生成的校准数据存储在集成在传感器模块中的电可擦可编程只读存储器(EEPROM)内，如图3所示。在这里，可以看到与肖特基二极管热接近的热敏电阻，它提供温度补偿数据。上述校正因子被传输到功率计，使其能够对显示读数进行必要的修正，从而确保测量准确性。

图3

 

用于手机系统功率测量的肖特基二极管

 

图1所示的具体射频功率计旨在评估在时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)移动通信中使用的调制射频信号。其传感器组件的功能原理图如图4所示。它在一个外壳内整合了双元素传感器配置。

图4

 

入射的射频信号通过传感器的二极管输入连接器引入，经过二极管探测器转化为电信号。该信号经过负载滤波网络处理，定义低通频率响应。300 kHz带宽选择优化用于基于TDMA的波形，例如符合全球移动通信系统(GSM)标准的波形。1.5 MHz带宽设置适用于窄带CDMA传输，而5 MHz带宽选项则用于宽带CDMA信号。

 

传感器头内集成了两个信号处理通道。主要通道称为“时域”或“瞬时”路径，支持高带宽数据采集，使时间解析测量成为可能。该路径允许时间门控，显示幅度调制特性随时间的变化。它代表了预配置或默认的操作模式。

 

另一个通道，即“积分功率”或“总功率”路径，提供总射频功率的测量。该配置在确定整体功率水平时提供最高的准确性，因为它避免了任何潜在的信号衰减或由时间门控引入的截断。在此模式下，功率测量范围为-65 dBm至+20 dBm。

 

功率计单元

 

图1所示的功率计仪器具有双输入接口。单端口模型也可商业采购。来自传感器的多个信号通过专用的屏蔽电缆传输到功率分析仪。

 

采用双端口配置的好处在于能够同时获取两个独立信号。这种能力在放大器特性测量等应用中尤为有利。一个端口可以专门用于测量输入功率水平，而另一个则量化输出功率水平。

 

功率分析仪(或功率传感器和计量表)可以计算并呈现输出功率与输入功率的比率，从而确定放大器的增益(或放大因子)。或者，如图1中的功率计显示所示，可以使用一个通道(端口)测量并显示峰值包络功率(PEP)，同时使用另一个通道(端口)测量并显示平均功率(Pavg)。

 

双端口测量的优势

 

采用双通道配置的好处在于能够同时获取两个不相关的信号。这在放大器特性测量等场景中特别有利。一个通道可以量化输入功率水平，而另一个测量输出功率水平。功率分析仪可以计算并呈现输出功率与输入功率的比率，代表放大器的增益因子。反之，如图1中的功率计显示所示，峰值输出功率可以从一个输入通道捕获并显示，而另一个输入通道测量并显示平均功率(均值功率)。

 

校准和归零程序

 

功率计配备一个50 MHz、1 mW的参考振荡器，该振荡器可追溯到NIST标准。该参考信号用于校准功率计及其相关传感器。在进行测量之前，传感器(或传感器依次)连接到功率参考输出，使仪器能够执行自动自校准程序。进一步的准备步骤是“归零”传感器，在信号测量之前。在此归零过程中，禁用所有输入信号功率，并补偿由温度变化引起的任何传感器偏移。当尝试在测量高功率信号后立即测量极低水平信号时，此程序尤为关键。高功率信号的残余能量可能会导致传感器的热漂移，从而在后续读数中引入轻微的直流偏移。

 

功率分析仪不仅限于提供离散的功率读数;它们还能够可视化功率包络随时间的变化。图5展示了脉冲信号的特性，描绘了脉冲前沿和后沿的功率幅度及时间特性。另一个测量能力是确定信号的峰值功率(或峰值包络功率，PEP)。重要的是，准确评估峰值功率(与平均功率评估相对)需要考虑探测器的响应时间。这通常以传感器的视视频带宽(VBW)或调制带宽表示。VBW指定探测器能够准确跟踪幅度变化的最大调制频率。

图5

 

举个例子，如果两个音调之间有10 MHz的频率差，结果信号的幅度包络将以10 MHz进行正弦调制。尝试使用具有5 MHz VBW的探测器捕获此复合信号的峰值功率将导致不准确的结果，因为探测器的时间分辨率不足以分辨10 MHz的包络调制。测得的峰值幅度将被低估，最小幅度将被高估，因为探测器无法忠实重现信号幅度包络的快速变化。然而，测量该幅度调制信号的平均功率仍将提供正确的读数，因为探测器限制所引起的正负误差将在很大程度上相互抵消。传感器的VBW主要影响瞬时或极端功率测量的准确性，例如峰值或最小值。