定向耦合器用于检测 RF 功率,应用广泛,可以出现在信号链中的多个位置。本文探讨 ADI 公司的新器件 ADL5920,其将基于宽带定向耦合器与两个 RMS 响应检测器集成在一个 5 mm×5 mm 表贴封装中。相比于要在尺寸和带宽之间艰难取舍的传统分立式定向耦合器,该器件具有明显的优势,尤其是在 1 GHz 以下的频率。

 

在线 RF 功率和回波损耗测量通常利用定向耦合器和 RF 功率检波器来实现。

 

图 1 中,双向耦合器用于无线电或测试测量应用中,以监测发射和反射的 RF 功率。有时希望将 RF 功率监测嵌入电路中,一个很好的例子是将两个或更多信号源切换到发射路径(使用 RF 开关或外部电缆)。

 

图 1. 测量 RF 信号链中的正向和反射功率。


定向耦合器具有方向性这一重要特性,也就是它能区分入射和反射 RF 功率。当入射 RF 信号在通往负载的路程中经过正向路径耦合器(图 2)时,耦合一小部分 RF 功率(通常是比入射信号低 10 dB 至 20 dB 的信号),输入 RF 检波器。当正向功率和反射功率均要测量时,须再使用一个耦合器,其方向与正向路径耦合器相反。两个检波器的输出电压信号将与正向和反向 RF 功率水平成比例。

 

图 2. 采用定向耦合器和 RF 检波器的典型 RF 功率测量系统


表贴定向耦合器的基本问题是须在带宽和尺寸之间进行取舍。虽然频率覆盖范围为一个倍频程(即 FMAX 等于两倍 FMIN)的双向定向耦合器通常采用小至 6 mm2 的封装,但多倍频程表贴定向耦合器要大得多(图 3)。宽带连接器式定向耦合器具有多倍频程的频率覆盖范围,但显著大于表贴器件。

 

图 3. 连接器式定向耦合器、表贴定向耦合器以及带定向桥和双 RMS 检测器的 ADL5920 集成 IC


图 3 还显示了 ADL5920 评估板,它是一款新型 RF 功率检测子系统,检测范围高达 60 dB,采用 5 mm×5 mm MLF 封装(ADL5920 IC 位于 RF 连接器之间)。ADL5920 的功能框图如图 4 所示。

 

图 4.ADL5920 框图


ADL5920 不是利用定向耦合器来检测正向和反射信号,而是采用一种专利的定向桥技术来实现宽带且紧凑的片内信号耦合。要了解定向桥的工作原理,我们需要先回顾惠斯登电桥。

 

惠斯登电桥

定向桥的概念基于惠斯登电桥(图 5),即在平衡时产生的差分电压为零。在惠斯登电桥中,两条支路之一中的一个电阻是可变的(R2),而另外两个电阻(R1 和 R3)是固定不变的。总共有四个电阻——R1、R2、R3 和 Rx,其中 Rx 是未知电阻。如果 R1 = R3,那么当 R2 等于 Rx 时,VOUT = 0 V。当可变电阻具有合适的值,使得电桥左右两边的分压比相等,从而在产生 VOUT 的差分检测节点上产生 0 V 差分信号时,认为电桥处于平衡状态。

 

图 5. 惠斯登电桥


单向桥

图 6 是单向桥原理图,非常好地解释了这种器件的基本操作。首先要注意的是,定向桥需要针对特定 Zo 进行设计,并将插入损耗降至最低。如果 RS = RL= R = 50Ω,则电桥的检测电阻为 5Ω,这样插入损耗(<1dB)与信号检测便实现了良好的折衷。从负载回头看来计算 ROUT,得到精确的 50Ω端口阻抗,而计算 RIN 将得到 50.8Ω端口阻抗(|Γ| = 0.008;RL = –42 dB;VSWR = 1.016)。如果在 RFIP 施加图示信号,由于 RIN 约为 50Ω,所以 RFIP 处的电压约为电源电压的一半。暂时假定 RFIP 处的电压等于 1 V,则 RFOP 处的电压约为 0.902 V。


该电压进一步衰减 10/11 = 0.909,使得差分放大器的负输入为 0.82V,所得差分电压为(1 – 0.82) = 0.18 V。电桥的有效正向耦合因子(Cpl)为

 


就电桥而言,平衡意味着当信号反向施加时(RFOP 至 RFIP),VFWD 检波器(或 Cpl 端口)在理想情况下将看到零差分电压,而当信号正向施加时(RFIP 到 RFOP),看到的将是最大信号。为了在这种结构中获得最大的方向性,精密电阻最重要,因此将其集成是很有益的。

 

在单向桥中,为了确定计算回波损耗所需的隔离,需要翻转器件,然后将输入信号施加于 RFOP。在这种情况下,电桥是平衡的,差分放大器的正负输入相等,因为相同的分压比 0.909 = (10R/(10R + R) = (R/(R+0.1R))导致差分电压(V+减 V-)= 0 V。

 

图 6. 简化单向桥电路图

 

双向桥

图 7 是双向桥的简化图,与 ADL5920 中使用的类似。对于 50Ω环境,单位电阻 R 等于 50Ω。因此,电桥的检测电阻值为 5Ω,而两个分流网络的电阻值均为约 1.1 kΩ。

 

这是一个对称网络,因此当 RS 和 RL 也等于 50 时,输入和输出电阻 RIN 和 ROUT 相同且接近 50Ω。


当源阻抗和负载阻抗均为 50Ω时,内部网络的欧姆分析告诉我们,与 VREV 相比,VFWD 将相当大。在实际应用中,这对应于从信号源到负载的最大功率传输。这导致反射功率很小,进而导致 VREV 非常小。


接下来,我们考虑如果 RL 为无限大(开路)或零(负载短路),会发生什么情况。在这两种情况下,如果重复欧姆分析,我们会发现 VFWD 和 VREV 大致相等。这反映了一个实际系统在开路或负载短路情况下,正向和反射功率相等。下面将对这些情况进行更详细的分析。

 

图 7. 简化双向桥电路图

 

VSWR 和反射系数

在网络分析中对误差进行全面分析太复杂,超出了本文的范围,但我们想在这里概述一些基本概念。Marki Microwave 撰写的应用笔记“方向性与 VSWR 测量”是一篇出色的文章,可供参阅 1。


行波是描述传输线路上电压和电流的重要概念,因为其是位置和时间的函数。传输线路上的电压和电流的一般解包括一个前向行波和一个反向行波,它们是距离 x 的函数 2。

 

                              

在等式 2 和等式 3 中,V+(x)表示向负载行进的电压波,而 V–(x)表示由于失配而从负载反射的电压波,Z0 为传输线路的特征阻抗。在无损传输线路中,Z0 由以下经典方程定义:

 

 

传输线路的最常见 Z0 为 50Ω。如果这样的线路用特征阻抗端接,那么在 50Ω信号源看来,它是一条无限长线路,因为沿着线路行进的任何电压波都不会产生可以在信号源或线路上任何其他地方检测到的反射。但是,如果负载不是 50Ω,那么沿着线路会产生一个驻波,这是可以检测到的,其由电压驻波比(VSWR)定义。
更一般地,反射系数定义为:

 


其中Γ0 为负载反射系数,γ为传输线路的传播常数。

 


R、L、G 和 C 分别为传输线路单位长度的电阻、电感、电导和电容。


回波损耗(RL)是反射系数(Γ)的负值,以 dB 为单位。这点很重要,因为反射系数和回波损耗经常被混淆而互换使用。

 


除了上述负载失配以外,回波损耗还有一个非常重要的定义,即根据阻抗不连续处的入射功率和反射功率来定义,如下所示:

 

 

其广泛用于天线设计。VSWR、RL 和Γ0 的关系如下:

 

 

式 14 和式 15 分别代表驻波电压的最大值和最小值。VSWR 定义为波上最大电压与最小电压之比。线路上的峰值电压和最小电压分别为:

 

 

例如在 50Ω传输线路中,如果前向行进电压信号的峰值幅度 A = 1,并且线路与一个理想负载匹配,则|Γ0| = 0,没有驻波(VSWR = 1.00),线路上的峰值电压为 A = 1。但是,如果 RLOAD 为 100 Ω或 25 Ω,那么|Γ0| = 0.333,RL = 9.542 dB,VSWR = 2.00,|V(x)|max = 1.333,|V(x)|min = 0.666。

 

图 8 是图 7 的副本,但所示信号采用默认正向配置,并且指示了行进功率波,参考平面位于负载。在低频时,波长相对于物理结构而言较长,电压和电流同相,电路可以根据欧姆定律来分析。

 

图 8. 带信号的简化双向桥


端口定义如下:输入端口(端口 1)为 RFIP,输出端口(端口 2)为 RFOP,耦合端口(端口 3)为 VFWD,隔离端口(端口 4)为 VREV。由于结构是对称的,当信号在 ZL 处反射或施加于 RFOP 时,端口反转。

 

在负载匹配且发生器电压连接到端口 1 (RFIP)的情况下,ZS = ZL = Z0 = R = 50 Ω,

 

 

VL/VS+为插入损耗 LI 或 IL,单位为 dB。

 


0.1×R 主线路电阻任一侧的两个并联支路的衰减因数为:

 

 

图 8 中的|VREV|和|VFWD|公式显示了正向施加信号时的电压值。这些公式指出了简化原理图的基本方向性限制,原因是隔离端口的抑制性能(33 dB)不理想。

 


从图 8 中可以看出,线性域中双向桥的方向性由下式确定:

 


这表明:为了提高方向性,α需要等于插入损耗 L1。


在硅片中,峰值方向性通常比简图表明的要好(图 9)。

 

如果 ZL 不等于 ZO(正常情况下),则耦合和隔离端口电压(复数)将为:

 

 

其中,VS+是端口 1(节点 VS)处的正向电压,VL- 是端口 2(节点 VL)处负载的反射电压。Θ是反射信号的未知相位,

 

用(24)代替(22)和(23)中的 VL-,并用(21)简化结果,另外

 

 

导致输出电压非常复杂。

 

 

从(26)和(27)可以看出,当 DL>>1 时,

 

 

在 ADL5920 中,电压 VREV 和 VFWD 分别通过两个 60 dB 范围的线性 dB RMS 检测器映射到电压 VRMSR 和 VRMSF,分别为(VISO/VSLP)和(VCPL/VSLP)。所以器件的差分输出 VDIFF(单位为 dB)表示

 


其中检波器斜率 VSLP 约为 60 mV/dB。 

 

使用(28)中(29)的电压到 dB 映射,

 

 

并在式 30 中使用式 9,得到:

 

 

图 9.ADL5920 方向性与频率的关系输入电平为 20 dBm。


图 10 显示 ADL5920 被正向驱动时正向功率检测 RMS 检测器的响应。每条曲线对应于所施加的特定功率水平下输出电压与频率的关系。曲线停止在 10 MHz,低至 9 kHz 的频率下的操作已得到验证。图 11 中,相同数据表示为输出电压与输入功率的关系,每条迹线代表不同的频率。

 

图 10. 多种输入功率水平下正向路径检测器的典型输出电压与频率的关系

 

图 11. 多种频率下正向路径检测器的典型输出电压与输入功率的关系


当 ADL5920 的 RFOUT 引脚用一个 50 Ω电阻端接时,不应有反射信号。因此,反向路径检测器不应该会记录任何检测到的反向功率。但是,由于电路的方向性是非理想的,会随着频率变化而滚降,所以反向路径中会检测到一些信号。图 12 显示了在 500 MHz 频率下,当扫描 RFIN 且 RFOUT 用 50Ω电阻端接时,正向和反向路径检测器测得的电压。这些迹线之间的垂直压差与电桥的方向性直接相关。

 

图 12.VRMSF 和 VRMSR 输出电压与输入功率的关系,500 MHz,电桥从 RFIN 驱动,RFOUT 端接 50 Ω。

 

图 13 显示了改变负载对正向功率测量的影响。将规定的功率水平施加于 RFIN 输入,RFOUT 上的负载回波损耗从 0 dB 变化到 20 dB。正如预期的那样,当回波损耗在 10 dB 到 20 dB 范围内时,功率测量精度非常好。但随着回波损耗降低到 10 dB 以下,功率测量误差开始增加。值得注意的是,回波损耗为 0 dB 时,误差仍在 1 dB 范围内。

 

图 13. 测得的正向功率与施加的功率和负载的回波损耗之间的关系,在 1 GHz 下测量。


图 14 中,ADL5920 用于测量负载的回波损耗,频率同样为 1 GHz。将一个已知回波损耗施加于 RFOUT 端口。测量 VRMSF 和 VRMSR,并反推回报损耗。

 

图 14. 测得的回波损耗与施加的回波损耗和 RF 功率的关系,在 1 GHz 下测量


关于此图,有几点需要注意。首先,可以看到,随着回波损耗的改善,ADL5920 测量回波损耗的能力下降。这是因为器件具有方向性。其次,请注意测量精度如何随着驱动功率下降而降低。这是因为 ADL5920 板载 RMS 检测器的检测范围和灵敏度有限所致。第三点与迹线中的明显波纹有关。这是由于每次测量都是在单一回波损耗阶段进行的。如果在所有回波损耗阶段重复测量,则会产生一系列曲线,其垂直宽度将大致等于波纹的垂直宽度。

 

应用

凭借在线测量 RF 功率和回波损耗的能力,ADL5920 可用于多种应用。其小尺寸意味着它可以置身于许多电路中,而不会对空间造成太大影响。典型应用包括在线 RF 功率监测(RF 功率水平可高达 30 dBm,其中插入损耗不重要)。回波损耗测量功能通常用于需要监测 RF 负载的应用。这可以是一个简单的电路,用于检查天线是否遭到损坏或断裂(即灾难性故障)。但是,ADL5920 也可在材料分析应用中测量标量回波损耗。这最适合频率低于大约 2.5 GHz 的应用,其中方向性(从而测量精度)大于 15 dB。

 

ADL5920 评估板有两种外形尺寸,如图 15 所示。左侧所示为传统评估板,检测器输出电压可通过夹式引线和 SMA 连接器提供。该评估板还包含一条校准路径,可用于校准 FR4 板的插入损耗。


右侧所示的评估板集成度更高,包含一个 4 通道 12 位 ADC (AD7091R-4)。此评估板可连接 ADI 公司的 SDP-S USB 接口板,其包含的 PC 软件可计算 RF 功率和回波损耗,以及执行基本功率校准例行程序。

 

图 15.ADL5920 评估板选择

 

参考文献

1Doug Jorgesen 和 Christopher Marki。方向性与 VSWR 测量:了解回波损耗测量。Marki Microwave,2012。

 

2Guillermo Gonzalez。微波晶体管放大器分析与设计。Prentice-Hall,1984。

 

3Eamon Nash。“理解、操作并实现基于二极管的集成式 RF 检波器接口。”ADI 公司,2015 年 11 月。