基于二极管检波的功率测量技术研究

1、引言

        功率是表征微波信号特征的一项重要参数。近年来，随着数字无线通信、雷达、广播电视等通信技术的迅速发展，各种调制技术所采用微波信号的频率范围、功率电平、调制方式和信号频谱各不相同，如何根据具体的应用，选择不同的功率测量方案，从而实现功率的准确测量，是电子测试和无线应用科研人员必须面对的一个问题。

　　本文在探讨微波功率传感技术的基础上，重点讨论了二极管功率检波技术及其实现电路，并结合TD-SCDMA信号的功率测试需求，给出了较为典型的功率测量解决方案。

2、二极管功率传感技术

        射频、微波和毫米波频段功率测量常采用终端式测量方法[1,2]。终端式功率计主要包含功率探头和功率计主机两部分，功率探头利用某种能量转换装置将微波功率最终转换为可测的电信号，然后在功率计主机测量通道内，经过模拟信号调理、AD转换电路，由CPU和DSP进行软件补偿、校准等一系列处理后，获得精度可靠、一致性好的测量结果。

        功率传感技术是功率测试仪器的核心，目前已经由最初的热敏电阻式过度到热电偶式和二极管检波式。下面分别逐一介绍。

2.1 热敏电阻式和热电偶式功率测量技术

        热敏电阻式功率探头是利用温度变化引起电阻阻值变化的原理工作的，这种温度变化来源于微波信号在测热电阻元件上耗散的能量。热敏电阻功率计由于测量功率范围小、测量速度低等原因，已经逐渐被二极管式和热偶式功率计代替，但由于热敏电阻功率探头内热敏电阻所吸收的射频功率与热敏电阻上的直流替代功率有相同的热效应，可以认为是“闭环”的，稳定性很好，因此在功率溯源方面仍用于功率标准的传递。

　　热电偶式功率探头能够吸收微波热量并将其转换成不同金属结点上的温差热电势，然后由后续电路处理并最终测得信号的功率值。由于热电偶式功率探头的热电压正比于冷热点的温差，而温差又正比于输入的微波功率，故热电偶式功率计为真正有效值测量，也就是说输出直流电压与输入射频功率始终成正比，因此是真正的平均功率检波器，能实现包括CW、脉冲调制、复杂数字调制和多音信号在内的多种调制信号平均功率的测量。但是，热电偶式功率探头的动态范围只有50dB，最低只能测量-30dBm的功率电平，同时无法进行真正的峰值包络功率的测量。目前已逐渐被高性能宽视频带宽二极管式功率测量仪器所取代。

2.2 二极管检波式功率测量技术

        长期以来，整流二极管在微波频段一直用作检波器进行微波信号的包络检波，进行相对功率的测量。随着数字信号处理技术和微波半导体技术的发展，借助于功率线性校准、温度补偿、校准因子等数据修正和校准技术，使得利用二极管实现绝对功率的准确测量成为可能，可实现大动态范围的CW平均功率、调制信号平均功率和宽带峰值功率的测量。

        数学上，检波二极管服从于二极管方程

（1）仪器仪表学报
 
        其中，i为二极管电流；Is为饱和电流，在给定温度下为常数；V为跨在二极管上的净电压；α＝q/nkT， q为电子电荷，n是适应实验数据的修正常数，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。从式（1）可以看出，正是该级数的二次及其它偶次项提供了整流作用。对于小信号的整流，只有二次项有意义，从而称该二极管工作在平方律区域，即输出电流或电压正比于射频输入电压的平方。当V高得使四次项不能忽略时，二极管的响应便不再处于平方律检波区，而是按准平方律整流，称之为过渡区，再往上就到了线性检波区。

        图1为典型二极管检波器的检波特性曲线和温度特性曲线，其平方律检波区从噪声电平开始（一般可从-70dBm开始）一直延伸到-20dBm左右这一区域，自-20dBm到0dBm为过渡区，0dBm以上为线性区。对于普通检波二极管来说，最大输入功率一般不能超过+20dBm，否则可能烧毁二极管。由于二极管检波特性随温度变化而改变，且二极管检波的灵敏度和反射系数也与温度关系密切，因此必须根据图1所示的功率、温度、误差（即温度补偿系数）的三维曲面，对测量结果进行修正。

图1 二极管检波特性曲线及温度特性曲线

        现代二极管功率探头常采用图2所示的平衡配置双二极管检波结构，输入的射频信号进入隔直流电容Cc和衰减器，再经过50Ω负载匹配后进入双二极管检波器，两个检波器检波输出的正负直流信号通过视频滤波电容送入前置放大器处理。这种结构能够消除小信号测量时不同金属连接所导致的热效应，能抑制输入信号中偶次谐波造成的测量误差，提高信噪比。

图2 双二极管检波器组件原理框图
 
        为了拓宽二极管检波的动态范围，需要利用标准CW源对非平方律区的检波测量值进行线性校准和补偿，使探头动态范围达到-70 ~ +20dBm。但是，复杂数字调制信号和脉冲调制信号不是恒定幅度的CW信号。由于检波二极管存在检波电压的非平方律特性，调制信号检波包络各点检波电压的权值不一样，在非平方律区各点利用检波电压求和取得的平均功率误差很大，因此这种使用CW校准源进行动态范围扩展的方案，只适用于全动态范围内的CW平均功率或低电平（小于-20dBm）调制信号的平均功率测量。

       如果要实现大动态范围平均功率的准确测量，可以采用随后介绍的二极管级联技术。

       为了满足大动态范围内调制信号及窄脉冲信号平均功率的测试需求，近年出现了多路径、多二极管平均功率探头[2]。其核心思想是利用二极管级联技术向上拓宽平方律检波区，并将整个动态范围分为多个测量路径，使每个路径内的二极管堆栈都能工作在平方律区，从而实现宽动态范围内平均功率的精确测量，并且无需考虑信号带宽的限制。其典型原理框图如图3所示。
 

图4 典型峰值功率测量通道原理框图

        峰值功率测量通道典型原理如图4所示，二极管输出的检波信号首先进入低噪声前置放大器，经滤波和带宽控制后一路进入后置放大电路，然后进入高速ADC进行数模转换，另一路进入触发和精密内插电路，通过比较电路产生同步触发时钟信号，最后由DSP或CPU 完成数据的补偿和信号处理，实现功率脉冲各种时域参数[3]的自动测量和统计分析，并最终显示给用户。

        在实际应用中，为了提高仪器的动态范围，常常根据检波信号的大小，利用开关电路将信号进行高低量程切换，即将信号分为两路，分别经不同放大电路进行处理，或者直接采用大动态范围对数放大电路放大检波信号，这既保证了小信号的测量灵敏度，又保证了大动态范围，最后再由ADC将转换结果传给DSP进行量程识别和处理。为了以较低的采样速率获得较高的重复信号测量带宽，现代峰值功率测量仪器常采用随机采样技术，利用精密内插电路，大大提高了脉冲功率测量的时间分辨率，可进行纳秒级上升时间和脉冲宽度等时间参数的测量。

3、复杂调制信功率测试的新需求

        得益于半导体和计算技术不断发展，二极管逐渐成为传感功率的主要元件，平衡配置的二极管检波探头的视频带宽可达100MHz，其技术已相对成熟，技术更新日趋减缓。基于此，功率测量的发展重点集中在对新兴数字调制信号的测量与分析以及测量设备的小型化和模块化上。

        一方面，随着数字通信技术的迅猛发展，涌现出大量的数字矢量调制技术[4]，如PSK、8-PSK、GMSK、16QAM、pi/4-DQPSK等，这些信号已经逐渐从早期对载波的幅度调制，过度到对载波相位和幅度的综合调制。现代通信常常采用复用和多址技术，在时域上，这些信号的功率包络也从简单的周期性脉冲信号过渡到占空比和脉冲功率同时变化的信号，有的甚至没有明显的脉冲包络，时域波形与随机噪声非常类似（如CDMA、WLAN 802.11a），并且具有超过50dB的峰均功率比。这些新型调制技术对仪器的视频带宽、动态范围、实时采样速率提出了更高的要求，同时要求仪器能够实现多种触发功能，从而可以自动识别帧模式信号的有效载荷，并结合特定的数据统计和处理方法分析信号的功率特性，如PDF（概率密度函数）、CCDF（互补累积分布函数）等统计分析工具。

        以TD-SCDMA为例，TD-SCDMA是我国提出的一种移动通信标准，该技术综合应用了频分、时分和码分多址技术，其时分技术允许基站和移动终端分时使用同一个频带，码分多址技术允许16个用户共享一个时隙，其典型时域波形如图5所示。图中3个有效时隙的功率电平和峰均功率比各不相同，并且各个时隙的功率电平表现为类似噪声的信号，因此在测量TD-SCDMA信号时，必须能够准确测量各个时隙的时间宽度、上升时间、下降时间，各时隙的峰值功率、平均功率和峰均功率比，并利用统计分析功能检查各有效时隙是否存在元件非线性引起的削波或压缩现象。在测量此类信号时，必须保证30MHz以上的视频带宽，采用100MSPS以上的采样率和大于50dB的动态范围，采用时间门或标记功能对有效载荷进行独立的功率测量和功率统计分析，这样才能实现对数字调制信号的正确测量和分析。

图5 TD-SCDMA功率包络时域波形

        微波功率测量仪器在向宽动态范围、大视频带宽和高采样速率发展的同时，还逐渐向小型化和模块化方向发展。目前， VXI微波功率测量模块已经获得普遍应用，PXI功率测量模块也已经进入市场。由于部分探头内部采用高稳定的直流参考电路，已经不需要校准源进行线性校准，这使得基于USB接口的平均功率探头开始出现，这种设计方案不需要功率计主机，无需频繁利用校准源进行校准，功率探头直接或经过适配器连接到计算机、PDA或其他测量仪器的USB主机接口，主机利用内部主控软件即可实现功率显示和参数设置，这大大缩减了测试步骤，非常利于搭建自动测试系统。相信随着信息技术的不断发展，具有多种触发功能的USB峰值功率探头和具有显示和小键盘输入的手持式功率测量设备也将出现，这无疑会极大方便现场测试应用和测试系统的组建。

4、结束语

        二极管功率检波具有较好的灵敏度和动态范围，并且能够快速响应信号的包络变化，已经逐渐取代热敏电阻和热电偶成为传感微波功率的主要手段。现代峰值功率测量仪器采样速率可达到100MSPS，通道带宽达到30MHz，最小可测脉冲宽度达10ns，动态范围一般超过50dB，甚至达到60dB[1,5]，可进行多种脉冲功率参数的测量，如峰值功率、平均功率、顶部幅度、底部幅度[3]、上升时间、下降时间、脉冲宽度、占空比、脉冲重复频率等。

        在实际应用中，为了准确测量射频和微波功率，必须在掌握被测信号特性和测试需求的基础上，了解功率探头检波特性、主机测量通道及数据分析和处理能力。特别是在数字矢量调制信号的功率测量应用中，必须根据信号频率范围、功率范围、功率电平、信号的频谱功率总量以及调制形式等因素，在明确测量不确定度的基础上，选择恰当的功率测量解决方案。