基于對數檢測法的射頻功率測量電路設計

摘 要：隨著3G通信技術的發展，在進行通信系統的設計過程中，射頻功率的測量具有重要意義。從動態范圍、頻帶寬度和線性度三方面分析了對數放大器檢測法測量射頻功率原理，論述了對數放大器檢測法測量射頻的優勢，在此基礎上，采用ADI公司的AD8318芯片和PIC16F874單片機設計了基于對數檢測法的射頻功率測量電路。電路測試結果表明：該方法具有寬頻帶、高精度、動態范圍大和溫度穩定性好等優點。

關鍵詞：對數放大器； AD8318； PIC16F874； 射頻功率測量

中圖分類號：

TN722-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)19

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Design of RF Power Measurement Circuit Based on Logarithmic Amplifier Detection Method

GAO Jian-fang1， GAO Jin-ding2， ZHANG Jian-jun3

(1 Department of Electronic Information and Technology， Hunan Vocational College， Changsha 410118， China;

2. Department of Information and Electronic Engineering， Hunan International Economics University， Changsha 410205， China;

3. Institute of Technology， Hunan Normal University， Changsha 410000， China)

Abstract： With the development of 3G communication technology， RF power measurement is of great significance in the design process of communication system. The RF power measured by logarithmic amplifier detection method is analyzed from three aspects of dynamic range， bandwidth and linearity. A RF power measurement circuit based on logarithmic detection method was designed using ADI′s AD8318 chip and PIC16F874 SCM. The circuit test results show that the method has wide bandwidth， high accuracy， large dynamic range and stable temperature.

Keywords： logarithmic amplifier; AD8318; PIC16F874; RF power measurement

近年來，隨著3G技術的快速發展，在進行通信系統設計時，射頻功率的控制和測量十分重要。本文以美國ADI公司的AD8318單片射頻功率測量芯片為核心，設計了基于對數放大器檢測方法的射頻功率測量電路，該方法具有動態范圍大，頻率范圍廣，精度高和溫度穩定性好的特點。

1 測量原理

射頻功率測量方法有多種多樣，其中對數放大器檢測法是射頻測量的主要方向之一，下面從對數放大器內部結構進行分析，研究對數放大檢測器如何檢測射頻信號。

射頻信號檢測的實質是如何實現將功率信號無失真地轉換成電壓信號，而這個轉換工作則由對數放大檢測器來完成，因此，對數放大檢測器是射頻測量的關鍵。它的核心是對數放大器，對數放大器之間采用直接耦合方式，分成N級，每級由對數放大器和檢波器組成。每級的輸出送到求和器，由求和輸出經低通濾波器后得到一個電壓信號。N一般取值為5~9級，級數越多，單級增益越小，則輸出特性曲線越趨向于線性，這里以5級為例進行分析，具體電路如圖1［1-3］所示。

式中:b為截距;Ks為對數檢測器的斜率，是一個常數;Pin是輸入信號的功率。在一定的動態范圍內，可通過Matlab仿真軟件得到對數放大器的特性曲線［4-7］，如圖2所示。

從圖2可知，線性動態范圍約為-3~67 dBm，在此范圍內，輸出電壓與輸入功率之間呈線性關系。圖2的橫坐標是輸入信號的功率，縱坐標為輸出電壓和誤差值。在坐標系上作圖可知，該特性曲線的斜率約為18 mV/dB，截距約為93 dBm，已知輸入信號的情況下，可根據式(1)得到輸出電壓的大小。

圖2 對數放大器的特性曲線

若輸入信號為-30 dBm時:

若斜率改變，則截距也會發生變化，在同樣的輸入的情況下，輸出大小不同。

上述情況僅適用于900 MHz~8 GHz的正弦波輸入信號，而通信系統中，還有其他的波形，如果測量其他的波形的功率，則可根據不同波形的修正C值來進行修正，因波形不同修正值也不相同，表1為不同的信號波形的修正值\\。

表1 部分波形作為輸入時的修正值

典型信號修正值(C) /dB備 注

正弦波信號0

方波或直流信號－3.01

三角波信號＋0.9

GSM信號＋0.55應將修正值與輸出功率電平值相加

非正弦波形的輸出電壓計算公式:



2 硬件電路的設計

2.1 AD8318的結構特點和內部結構圖

AD8318是解調對數放大器，將RF輸入信號轉換為對應的輸出電壓；它采用了9級對數放大，每一個階段，都配備了檢測器。主要可用于測量和控制器；當輸入范圍通常為60 dB，誤差小于± 1 dB；+5 V單電源供電，電流為68 mA。AD8318的結構圖如圖3所示。

圖3 AD8318的內部結構框圖

2.2 電路圖及工作原理

由AD8318構成的射頻功率測量電路如圖4所示。該電路可通過對AD8318設置，使其工作在測量模式時，當輸入的正弦信號為RFIN，經過電容C1，C2耦合到AD8318的INHI、INLO兩端。然后通過9級對數放大檢波后，送到求和器，求和得到一個電流信號，再將該信號進行I-V轉換輸出VOUT，該設計沒有單獨的模數轉換芯片，而是由AD8318的輸出直接到單片機的PA0，由于PIC16F874［9］單片機內部有自帶A/D轉換器將模擬信號轉換成數字信號，然后送到單片機進行處理。

若輸入模擬信號的動態范圍大，A/D轉換的精度要求高，則A/D轉換器的分辨率要求也高［10］，可通過PIC16F874內部的A/D轉換器實現，它將AD8318的電壓信號轉換成數字信號后，經單片機程序進行計數、查表，顯示等處理。圖5為單片機的程序流程圖。

PIC16F874單片機將處理后的數字信號從PA1～PA4輸出，經 ULN2003反相驅動給LED提供位選信號及足夠的驅動，而段選信號從RB0～RB7經過8×10 kΩ的排阻，送到LED，在LED數碼中將被測的射頻信號的功率大小顯示出來，測量結果如表2所示。

從表2的數據可知，通過AD8318對數放大檢測集成電路的轉換，再經過單片機的數據處理，所測得射頻信號的功率滿足動態范圍大，頻帶寬度和線性度好的特點。

3 結 論

通過對射頻功率信號的測量理論分析，利用AD8318將射頻功率信號轉換為電壓信號，然后經過PIC16F874單片機進行計數、查表，由4位LED數碼顯示出來，實現了大動態范圍、高精度的射頻功率測量。

參 考 文 獻

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［8］AD. AD8318 datasheet \\. \\: AD， 2004.

［9］Microchip. PIC16F874 datasheet \\. \\: Microchip， 2002.

［10］陳爽.頻譜分析儀對數放大器的設計與實現［J］.國外電子測量技術，2007，26(7)：28-30.