CDMA2000 和 W-CDMA 基站中使用的高功率放大器 （HPA） 設(shè)計人員在實現(xiàn)精確的發(fā)射功率測量方面遇到了許多挑戰(zhàn)。復(fù)雜性包括高峰均比、隨基站呼叫負(fù)載變化的峰均比、較大的工作溫度范圍和較大的發(fā)射功率范圍。利用精確的RMS輸出功率測量，HPA制造商可以降低他們設(shè)計的最大功率。本文介紹了幾種在整個溫度范圍內(nèi)精確測量和控制RMS功率的方法。

CDMA2000和W-CDMA等復(fù)雜調(diào)制方案具有較大的峰均比。對于給定的最大平均輸出功率要求，由于基站頻譜模板和EVM要求，隨著峰均值的增加，設(shè)計的最大功率要求通常會增加（或線性化要求增加）。如果調(diào)制信號的峰值被削波，三階失真將會增加，導(dǎo)致基站無法滿足其頻譜模板要求。削波調(diào)制信號的峰值也可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，使系統(tǒng)無法滿足其EVM要求。根據(jù)峰值功率傳輸要求設(shè)計HPA是昂貴的，但卻是必要的。增加的費用是由于電氣元件的成本增加和HPA效率的降低。始終存在與HPA功率設(shè)計的最大功率相關(guān)的$/W，并且將HPA運行在其飽和點以下是低效的。效率的降低會增加HPA模塊的成本，因為它會增加用于散熱的機械結(jié)構(gòu)的成本，尺寸和重量，降低HPA的可靠性并增加其運營成本。

降低HPA的最大設(shè)計功率對HPA制造商來說很重要。HPA的飽和點越接近其平均功率，HPA的效率和成本效益就越高。有許多技術(shù)用于使HPA的飽和點盡可能接近平均發(fā)射功率，但這些技術(shù)都受到系統(tǒng)測量輸出功率能力的限制。HPA的最大設(shè)計功率需要通過RF功率測量容差（包括隨溫度的變化和峰均比）來增加，以確保頻譜模板和EVM合規(guī)性。這使得射頻功率測量系統(tǒng)的精度對于降低HPA的成本和效率至關(guān)重要。

CDMA2000和W-CDMA調(diào)制方案不僅具有較大的峰均值，而且峰均值隨特定基站的呼叫量而變化。例如，在CDMA2000 IS-95A中，前向鏈路波峰因數(shù)僅為導(dǎo)頻的6.6 dB，12個通道為64 dB（不使用CF減少技術(shù)）。較大的峰均值會導(dǎo)致非RMS響應(yīng)RF功率檢波器出現(xiàn)誤差。如果調(diào)制方案的大峰均比保持不變，則可以在生產(chǎn)中校準(zhǔn)出來，但基于用戶數(shù)量的峰均比變化更難處理。這需要跟蹤系統(tǒng)上有多少用戶，嚴(yán)格控制正在使用哪些Walsh代碼，以及一個非常大的查找表，以便知道特定時間信號的峰均比。更好的選擇是使用 RMS 響應(yīng)檢測器。與二極管檢波器或?qū)?shù)放大器不同，RMS響應(yīng)檢波器在很大程度上不受波峰因數(shù)變化的影響。圖1顯示了高性能對數(shù)放大器（AD8318）與RMS響應(yīng)檢波器（AD8364）的誤差，這是CDMA2000 IS-95A基站TX部分波峰因數(shù)變化（用戶負(fù)載）的結(jié)果。請注意，AD8318的輸出在CW和3通道CDMA5 IS-86A之間變化64.2000 dB（或95 mV），在僅導(dǎo)頻和2通道CDMA4 IS-64A之間變化2000.95 dB，而AD8364的輸出僅變化0.1 dB（或5 mV）。二極管檢波器的行為類似于對數(shù)放大器，其輸出電壓隨檢測信號的波峰因數(shù)而變化。如果該系統(tǒng)中使用對數(shù)放大器進行功率檢測，則需要通過信號處理消除檢測到的功率的2.4 dB變化，或?qū)⑵涮砑拥紿PA中設(shè)計的最大功率值。

圖 1：RMS 響應(yīng) RF 檢波器 （AD8364） 與非 RMS 響應(yīng) RF 檢波器的誤差顯示了峰均比對功率檢測的影響。非RMS響應(yīng)RF檢波器（AD8318）因其輸入信號的峰均比變化而表現(xiàn)出顯著的測量誤差，而RMS響應(yīng)RF檢波器（AD8364）在很大程度上不受峰均比變化的影響。

RMS響應(yīng)RF檢波器（AD8364）與非RMS響應(yīng)RF檢波器的誤差顯示了峰均比對功率檢測的影響。非RMS響應(yīng)RF檢波器（AD8318）因其輸入信號的峰均比變化而表現(xiàn)出顯著的測量誤差，而RMS響應(yīng)RF檢波器（AD8364）在很大程度上不受峰均比變化的影響。

能夠準(zhǔn)確測量HPA工作溫度范圍內(nèi)的RMS功率對于確定HPA的最大設(shè)計功率也至關(guān)重要。這種測量的精度（或缺乏）需要直接添加到設(shè)計的最大功率中，除非在整個溫度范圍內(nèi)執(zhí)行困難且昂貴的校準(zhǔn)過程。與HPA輸出功率檢測有關(guān)的所有組件（例如定向耦合器、衰減器等）都會隨溫度增加誤差，但大多數(shù)組件在HPA的工作溫度下變化很小。通常，測量HPA輸出功率隨溫度變化的精度與探測器的溫度性能直接相關(guān)。近年來，RF檢測技術(shù)在創(chuàng)建在整個溫度范圍內(nèi)具有非常穩(wěn)定的響應(yīng)（在–5°C至+ 40°C范圍內(nèi)優(yōu)于±.85dB）的器件方面取得了長足的進步。圖2顯示了雙通道RMS響應(yīng)功率檢波器AD8364的溫度性能。該數(shù)據(jù)是在+25°C（黑色）、–40°C（藍色）和+85°C（紅色）@ 450 MHz下拍攝的。它包括來自多個生產(chǎn)批次的至少 30 個器件的電壓和溫度誤差（環(huán)境校準(zhǔn)后）與輸入功率的關(guān)系。每個部件的行為隨溫度變化略有不同。

圖 2：當(dāng)溫度從 –8364°C 循環(huán)到 +450°C 時，ADI AD40 輸出電壓和對數(shù)一致性誤差與引腳 （@ 85 MHz） 的變化很小。 對于來自不同生產(chǎn)批次的 30 個器件來說，情況仍然如此，即使性能隨溫度略有不同。

當(dāng)溫度從–8364°C循環(huán)到+450°C時，ADI公司的AD40輸出電壓和對數(shù)一致性誤差相對于引腳（@ 85 MHz）的變化很小。 對于來自不同生產(chǎn)批次的 30 個器件來說，情況仍然如此，即使性能隨溫度略有不同。

不僅必須準(zhǔn)確測量HPA的最大輸出功率，而且還需要測量HPA整個發(fā)射功率范圍內(nèi)的輸出功率，盡管較低功率水平下的精度有時并不那么重要。但是，在大動態(tài)范圍內(nèi)測量的精度與檢波器和ADC分辨率有關(guān)。圖3顯示了兩個RMS響應(yīng)檢波器AD8364和ADL5500的輸出。ADL5500與輸入RF信號的均方根電壓呈線性關(guān)系，AD8364與輸入RF信號的均方根功率（dB）呈線性關(guān)系。根據(jù)對較低功率水平下的動態(tài)范圍和精度的要求，ADL5500使用的ADC所需的分辨率可能遠高于AD8364。系統(tǒng)要求將決定哪種檢波器/ADC將根據(jù)較低功率水平下的精度和動態(tài)范圍要求提供最具成本效益和最容易實現(xiàn)的解決方案。

圖 3：將輸出與輸入 RMS 功率（以 dBm 為單位）成線性的檢波器（ADI AD8364）與輸出與輸入 RMS 伏特呈線性關(guān)系的檢波器（ADI ADL5500）進行比較，可以看出動態(tài)范圍的差異，并強調(diào)了選擇具有適當(dāng)分辨率的 ADC 的必要性。

將輸出與輸入RMS功率（以dBm為單位）成線性的檢波器（ADI公司AD8364）與輸出與輸入RMS電壓成線性關(guān)系的檢波器（ADI公司ADL5500）進行比較，可以發(fā)現(xiàn)動態(tài)范圍的差異，并強調(diào)選擇具有適當(dāng)分辨率的ADC的必要性。

在某些情況下，使用模擬反饋環(huán)路精確控制系統(tǒng)的功率或增益可以提高性能并取代簡單的功率檢測。目前提供的許多檢測器除了檢測功率外，還可以使用模擬反饋環(huán)路（即控制器模式下使用的檢測器）來控制功率。如果在控制器模式下使用RMS響應(yīng)檢測器，則可以非常準(zhǔn)確地設(shè)置功率與輸入功率、溫度和波峰因數(shù)的關(guān)系。該功率可以非常精確地設(shè)置，并且可以使用由ADC控制的模擬電壓來改變其電平。在控制器模式下使用功率檢測器來精確控制HPA的輸入或輸出功率將是一個理想的應(yīng)用，因為它將消除檢測輸入或輸出功率的需要。在控制器模式下，檢波器確定其輸入端的功率并調(diào)整VGA（或可變衰減器），直到檢測到的功率與功率控制輸入電壓設(shè)置的功率一致。圖4所示為在控制器模式下用于控制輸出功率的RMS響應(yīng)檢波器（AD8364）的基本原理圖。圖5顯示了當(dāng)VGA由AD8364（雙RMS響應(yīng)對數(shù)檢波器）的一側(cè)控制時，整體電路性能與輸入功率和溫度的關(guān)系。請注意，只要AD8364的功率電平設(shè)置正確，就可以在VGA和耦合器之間放置HPA，如果控制電壓設(shè)置正確，則可以使用任何VGA（或可變衰減器） 輸入功率范圍將接近檢波器的可檢測功率范圍（60 dB， 在AD8364的情況下）。

圖 4：在控制器模式下，檢波器確定其輸入端的功率并調(diào)整 VGA（或可變衰減器），直到檢測到的功率與功率控制輸入電壓 （VSTA） 設(shè)置的水平一致。

圖 5：當(dāng)ADI公司AD8364雙通道RMS響應(yīng)檢波器的一側(cè)用于控制系統(tǒng)功率時，檢波器輸入端（和Pout處）的功率與輸入功率和溫度（小于±.1 dB）保持恒定。

在控制器模式下，檢波器確定其輸入端的功率并調(diào)整VGA（或可變衰減器），直到檢測到的功率與功率控制輸入電壓（VSTA）設(shè)定的水平一致。

當(dāng)ADI公司AD8364雙通道RMS響應(yīng)檢波器的一側(cè)用于控制系統(tǒng)功率時，檢波器輸入端（和Pout端）的功率與輸入功率和溫度（小于±.1 dB）保持恒定。

在控制器模式下工作的雙RMS響應(yīng)檢測器也可用于非常精確地控制HPA的增益與輸入功率、溫度和波峰因數(shù)的關(guān)系。如果HPA模塊的增益在輸入功率、溫度和波峰因數(shù)上得到足夠精確的控制，則不必報告HPA模塊的輸出功率，但與饋送功率直接相關(guān)。如果雙路檢波器的兩個輸入都置于控制器模式，則檢波器確定每個輸入端的功率并調(diào)整VGA的增益，直到檢測到一個輸入端的功率等于另一個輸入端的功率。圖6顯示了用于控制系統(tǒng)增益的AD8364（雙RMS檢波器）的基本原理圖。圖 7 顯示了此設(shè)置的性能。需要精確控制的所有內(nèi)容都應(yīng)包含在兩個耦合器之間。請注意，可以使用VGA、可變衰減器甚至HPA的偏置來控制增益。如果檢測器和VGA之間的控制電平設(shè)置正確，功率電平設(shè)計正確，則可用輸入功率范圍將接近檢波器的可檢測功率范圍（AD60為8364 dB）。

圖 6：當(dāng)雙路檢波器的兩個輸入都用于控制器模式時，檢波器將控制 VGA（或 VVA 等），以均衡它在兩個 RF 輸入端檢測到的功率。系統(tǒng)的增益將由用于設(shè)置雙檢波器檢測到的功率的耦合器和衰減器決定。

圖 7：當(dāng)ADI公司的雙通道RMS檢波器（AD8364）的兩個輸入都置于控制器模式時，增益相對于溫度和輸入功率的控制優(yōu)于±.15 dB，動態(tài)范圍幾乎等于RMS檢波器的動態(tài)范圍。

當(dāng)雙檢波器的兩個輸入都用于控制器模式時，檢波器將控制VGA（或VVA等），以均衡其在兩個RF輸入端檢測到的功率。系統(tǒng)的增益將由用于設(shè)置雙檢波器檢測到的功率的耦合器和衰減器決定。

當(dāng)ADI公司的雙RMS檢波器（AD8364）的兩個輸入都置于控制器模式時，增益相對于溫度和輸入功率的控制優(yōu)于±.15 dB，動態(tài)范圍幾乎等于RMS檢波器的動態(tài)范圍。

CDMA2000和W-CDMA系統(tǒng)中使用的HPA的RF功率檢測相關(guān)的許多挑戰(zhàn)都可以使用RMS響應(yīng)RF檢波器來解決。由于峰值與平均值隨基站負(fù)載、較大的工作溫度范圍和較大的發(fā)射功率范圍而變化，因此檢測到的功率變化現(xiàn)在可以管理?，F(xiàn)在有了新的方法來控制功率和增益，足夠精確，無需檢測功率。所有這些都使HPA制造商能夠降低成本，提高其HPA的可靠性。

審核編輯：郭婷