谈一谈什么是峰值和均值射频检波器

一、什么是射频检波器

射频功率检波器是非常常用的射频元器件，作用就是把输入的射频信号，转换成一路直流电压，而且这个直流电压大小，和输入射频信号的功率是成正比的。

功率检波器能用在很多场景里：自动增益控制电路、发射天线功率实时监测、保护敏感电路不被脉冲信号和功率尖峰打坏，还有各类射频测试测量场合都离不开它。

二、连续波 vs 调制波形

这一部分通俗讲解正弦连续波（CW）和调制波形，分别在时域、频域是什么样子，也会对比两种波形在时域、频域上的特征差异。

下图画出了连续波信号和调制信号各自的时域、频域特性：

- 左上时域图：连续波频率固定、幅度也固定。横轴是时间（s），纵轴是信号幅度（V）。

- 右上频域图：是连续波时域信号做傅里叶变换（FFT）后的频谱。横轴是频率（Hz），纵轴是幅度（V）。能看出来，连续波频谱就是单一频点、单根谱线，幅度恒定。

- 左下时域图：调制波形，信号的频率和幅度都会随时间不停变化。

- 右下频域图：调制波形的FFT频谱。能明显看到，时域上的幅度、频率变化，映射到频域里就是频谱幅度和频点都变宽、变化复杂。

从连续波和调制波形的时频特征就能看出来：必须用不同架构的功率检波器，才能适配这两种完全不一样的波形，精准输出直流电压，真实还原实际信号的功率大小。

二、峰值检波器 vs 有效值（RMS）检波器

前面已经讲过，连续波（CW）和调制波形在时域、频域本身就有本质区别。波形不一样，就得用不同类型的功率检波器，才能把射频信号准确转换成对应的直流电压。

拿上图里的连续波来说：用峰值/包络检波器就行，它能把连续波时域上的峰值幅度转换成一路直流输出电压。连续波的包络幅度从头到尾是恒定不变的，峰值/包络检波器就直接把这个固定峰值，转成稳定的直流电压输出。

再看上图里的调制波形：这种就更适合用有效值RMS功率检波器。这类检波器输出的直流电压，能精准反映调制信号的平均功率。尤其适合峰均比PAR很大的调制信号。

调制波形时域幅度波动会非常大，这也是这类信号的典型特点。所以测调制波形不能只看峰值，用有效值测量才更靠谱、更贴合信号真实功率；只测峰值误差会很大。

三、用功率检波器做峰值 vs 有效值测量

前面说了：峰值/包络检波器，测的是射频输入信号瞬时幅度，输出直流电压和输入信号幅度成正比，这也是峰值/包络检波器传输特性的典型特点。

举个例子，想算峰值/包络检波器的传输函数，可以直接用检波器手册里的实测数据。

如果输入到这款检波器的是连续波CW信号，可以用下面公式来表示：

连续波信号=峰值幅度×sin(2π×频率×时间)

对于上图左上角和右上角的连续波信号来说，峰值幅度对应着时域波形的幅度，频率则对应频域（FFT）里的信号频率。

峰值/包络检波器的传输函数是K（单位：V/Vpeak）。因此，检波器的输出直流电压，可以用下面这个公式，通过传输函数计算得出：

下图展示了该峰值检波器的「输出直流电压 vs 输入功率」传输特性，这是用不同频率的连续波（CW）信号测出来的。

图里的不同颜色，代表不同的输入信号频率。横轴（x轴）：输入连续波信号的功率，从-30dBm一直扫到+15dBm。纵轴（y轴）：检波器输出的直流电压大小。

从上图的曲线来看，当输入功率是+15dBm时，根据器件手册里的实测数据（“+15dBm输入功率下，输出电压随频率变化的曲线”），在10GHz频率下，检波器的输出直流电压大约是3.8V。而+15dBm连续波信号的峰值电压，可以用下面这个公式算出来：

对于+15dbm信号输入功率

可以计算出

在10GHz频率下，输入功率为+15dBm的连续波信号时，检波器的实测直流输出电压为3.8V。我们可以用这个数据，算出这款峰值/包络检波器的传输函数，计算方法如下：

从上图的曲线能看出来，该检波器的工作频率范围是500MHz到43.5 GHz。这么宽的工作频段，让这款功率检波器能覆盖从基带、中频、射频，一直到毫米波的各类应用场景，适用市场也非常广，包括测试测量设备、5G 毫米波点对点通信方案等等。

从上图中我们可以看到在43.5GHz下、±1dB误差范围内的检波动态范围，这种扩展的动态范围对5G和毫米波测试测量等多种应用至关重要。在当前及未来的应用中，工作频率和功率水平都在持续提升。例如，为测量5G毫米波频段功率放大器等器件的更高功率水平，功率检波器必须同样具备扩展的动态范围，并能在这些频率下对功率水平进行精确测量。

而在功率谱的另一端（低功率端），即-40到-30dBm的功率水平区间，同样需要在毫米波频段对这些低功率进行精确测量（非线性误差要小）。传统的二极管检波器方案通常无法对低功率水平进行精确测量。从封装角度看，卫星应用场景，相比QFN封装，带连接器的器件封装方式更受青睐，如下图所示。带连接器的模块封装可为功率检波器提供屏蔽外壳，将串扰降至最低，并改善屏蔽性能。

相比之下，有效值（RMS）功率检波器测量的是输入信号的平均信号功率（RMS），而非输入信号的幅度或峰值。这类检波器的直流输出电压代表的就是该平均信号功率，其响应特性为线性dB。

而有效值检波器，在35dB的输入信号动态范围内呈线性dB响应，对数斜率为+29mV/dB，且在该动态范围内精度为±1dB。非常适合测量OFDM、QAM和WCDMA等复杂波形，这类波形的峰均比（PAR）可高达12dB，且在测量过程中调制波形的时域特性会发生变化。

两种检波器的一个测试测量用例如下图所示。图中系统为射频发射机，但相同的测试方法也适用于射频接收机。功率检波器被布放在射频信号路径上，它们的加入为发射机提供了内置自测试（BIST）能力。

通过这些检波器，可以测量发射机的多项特性，包括射频信号路径在常温下的标称射频增益，以及射频信号链路的温度性能。这一能力让我们能掌握射频发射机增益随温度的变化情况，测得的数据可用于补偿发射机的温度增益误差。如果射频链路中的任何模块对这些增益误差具备模拟或数字调节能力，功率检波器输出的直流电压可通过ADC数字化，测得的数据可结合这种数字调节功能，在数字校准环路中用于修正温度带来的增益误差。

下图展示了功率检波器的另一类应用，为射频接收机的部分电路。该应用中，功率检波器用于监测混频器的输出功率。功率检波器输出的直流电压，经积分器输入端的电阻转换成电流。该电流由DAC电压VDAC与检波器输出电压的差值，再除以电阻阻值计算得出。

积分器的输出电压送入电控可调衰减器。可调电阻衰减器会随时间不断调整衰减量，直到混频器输出功率稳定在由DAC电压VDAC设定的目标功率电平。

该电路在接收机内部构成自动增益控制（AGC）环路，通过AGC反馈机制控制混频器输出功率。改变DAC电压VDAC的大小，混频器输出功率也会随之同步升高或降低。

最后总结一下：

峰值/包络检波器可用于500MHz以上的各类混合信号、模拟及射频电路，用来检测信号链路中的信号幅度；也可在脉冲体制系统中做脉冲检测，还能对正交调制器的本振泄漏进行校准。有效值检波器同样可应用在上述场景，适用于测量调制波形，而非连续波信号。