有线或无线回波损耗的测量方法介绍
有线或无线发射器中的回波损耗是在向负载供电时传输功率与反射功率之比。它是描述传输效率的关键参数，可用作指示过量功率从负载反射回源。在天线回波损耗较差的无线发射器中，高水平的反射功率会损坏驱动天线的功率放大器。
本文介绍了一种精确测量有线或无线回波损耗的新方法。无需任何系统校准即可在宽频率范围（2 ghz至26 ghz）内实时发射。
电路操作
图1显示了完整电路，其中回波损耗为在rf放大器和其负载之间测量;负载将是实际无线系统中的天线。使用宽频定向耦合器检测入射和反射功率，频率范围为2 ghz至26.5 ghz。
rf开关用于交替连接到定向耦合和隔离端口耦合器。使用负逻辑cmos控制电路周期性地切换rf开关上的控制线。吸收式rf开关用于确保定向耦合器的两个端口始终以50ω端接。从开关输出的耦合rf信号然后驱动adl6010的输入，adl6010是一个宽带微波探测器，工作频率范围为500 mhz至43.5 ghz。
ad7091r 12位adc采样adl6010 rf探测器的输出速率为1 msps。这将检测器的模拟输出电压转换为数字代码。使用正向和反向代码，可以在不需要系统校准的情况下计算回波损耗。
无校准回波损耗测量和计算
图2显示了adl6010的传递函数集成微波二极管检测器的直流输出电压与交流输入电压。该探测器具有45 db的探测范围，工作频率范围为500 mhz至43.5 ghz。
该器件具有所谓的线性v / v传输功能。这意味着当输入功率在45 db线性工作区域（大约-30 dbm至+15 dbm或7.1 mv rms至1.3 v rms）内时，直流输出电压与输入交流电压成正比。与传统的基于肖特基二极管的探测器不同，没有平方律操作区域。这导致传递函数可以使用简单的线性方程建模：
其中m是v / v的斜率，b是y轴截距。
用dbm的功率重写这个等式，我们get：
其中r是系统阻抗，通常为50ω。
功率检测器的输出响应温度会有所不同，频率，从设备到设备。因此，前一个等式中m和b的值会有所不同，通常必须使用校准来确定。
要使用输出电压反向计算检测器的输入功率，需要在每个频率和每个频率上进行校准。每个设备。但是，在图1所示的电路中，我们只是试图测量回波损耗。由于正向和反向功率由同一探测器测量，因此可以证明回波损耗可以使用以下公式计算：
其中v f 和v r 是rf开关连接定向耦合器时来自探测器的测量输出电压分别对定向耦合器的正向和反向耦合端口。当y截距（b）接近于零时，这个方程成立，这就是这个特定探测器的情况（见图2）。
这个方程很重要，因为m和b项是没有的更长的礼物。这意味着无需任何系统校准即可测量精确的回波损耗。
实际上，图1中adc的代码用于执行计算。所以最终的等式变为：
同样，由于adc的y轴截距接近0，我们不需要对adc进行任何校准测量精确的回波损耗。
反射系数更容易计算，因为对log（x）计算的要求消失了。这产生了等式：
可以使用以下公式计算vswr：
测试结果
图3显示了当存在20 db的回波损耗时，在2 ghz时测量的回波损耗与输入功率之比。
模拟具有20 db回波损耗的天线，带有9 db衰减器开路输出连接到定向耦合器的输出。理想情况下，这应该导致18 db的回波损耗。然而，当考虑到电缆损耗，连接和耦合器插入损耗的影响时，该测试负载的真实回波损耗确定为大约20 db。
从图3中的图表中，我们请注意，对于0 dbm至+25 dbm的输入功率，测得的回波损耗保持接近20 db。在这些水平之上和之下，测量的回波损耗显着降低。在高端（这是由于探测器输入的功率超过其饱和点+15 dbm），由于耦合系数和插入，通过定向耦合器的+27 dbm功率在rf探测器处显示为+15 dbm开关丢失。
在低端（输入功率低于0 dbm），误差是由探测器的灵敏度引起的。 0 dbm输入功率从负载反射回-20 dbm。该电平通过耦合器和rf开关下降约12 db，到达检测器时的功率电平约为-32 dbm，低于adl6010探测器的输入灵敏度。
选择定向耦合器
每个定向耦合器都有一个耦合和一个隔离端口，如图4所示。正向耦合信号出现在耦合输出上，而负载反射的信号耦合到隔离的港口。在大多数定向耦合器上，隔离端口采用永久性，不可拆卸的50ω端接端接。对于这种应用，选择marki microwave c10-0226有很多原因。该器件具有宽泛的工作频率范围（2 ghz至26 ghz），覆盖了adl6010探测器范围的重要部分。在此范围内，它具有20 db或更高的输入回波损耗和方向性。为了测量负载上20 db的回波损耗，耦合器本身的方向性和输入回波损耗必须至少超过此数值。
c10-2226上的隔离端口耦合器没有固定终端。相反，用户可以连接50ωsma负载以进行正常操作。但是，在这种情况下，我们利用此功能并使用隔离端口来测量反向功率。因此，我们有效地使用一个能够检测入射和反射功率的器件。
耦合器的耦合系数为10 db。耦合因子对电路级规划有重大影响，如图5所示。为了优化电路的检测范围，天线端口的最大功率应映射到检测器的最大输入功率。因此，在此示例中，10 db耦合系数（以及rf开关的2 db插入损耗）和检测器的最大输入功率+15 dbm将天线端口的最大功率设置为+27 dbm。如果需要更高的输出功率，则可以使用具有更高耦合系数的定向耦合器。这将具有略低的耦合器插入损耗的优点。或者，可以在开关的输出和检测器的输入之间插入额外的衰减。
在实际电路中，表面贴装定向耦合器可能是优选的。这些器件往往具有与此处使用的连接器耦合器类似的插入损耗。但是它们的带宽，方向性和隔离度往往不会那么好。
rf开关选择注意事项
此应用中使用了hmc547lc3开关。这是一款单刀双掷非反射开关，输入频率范围为直流至28 ghz，高速开关时间为6 ns。
此开关的非反射特性对正确无关整个电路的操作。如果没有连接时开关在其输入端出现的50ω负载，则定向耦合器将无法正确端接。
此应用中，开关的插入损耗并不重要。开关的插入损耗有效地增加了定向耦合器的耦合系数。此外，由于正向和反向功率通过相同的路径，因此温度和频率的任何变化都会抵消。该开关与耦合器一起将电路的操作限制在最大28 ghz。要将电路工作在adl6010探测器的最大输入频率，必须使用更高频率的开关。
adc选择注意事项
ad7091r是一款12位逐次逼近型寄存器sar adc。这是一款低功耗adc，典型值为349μa，吞吐速率高达1 msps。可以使用较低的吞吐速率，从而降低功耗。
选择此adc主要是因为它具有足够的分辨率，可以在整个输入范围内检测adl6010检波器的输出电压。检波器的所谓线性v / v传递函数（如图2所示）意味着增量输出斜率（v / db）随输入功率而降低。因此，选择12位adc，即使输入功率位于探测器输入范围的底端，也可以解决小于1 db的输入功率变化。
在实际实施中该电路中，adc的每个数字代码都通过3线spi接口传输到pc。然后pc上的软件程序计算并显示回波损耗。
测量正向和反向耦合信号所需的时间，计算回波损耗大约为1.4 ms-500，收集500个反向采样在每个周期。大量样本提供平均值，这在信号具有快速变化包络的应用中是必需的。此外，在检测器的输出和adc的输入之间放置了一些低通滤波（一个简单的r到c电路，没有任何缓冲），以提供额外的平均值。
软件程序大约需要400μs，用于执行正向和反向采样之间的切换操作。这导致1.4 ms的更新速率。
在更快的切换可用的情况下也可以使用替代采样方案（前一示例中的切换速率受控制软件的限制，而不受交换机本身的限制） 。
射频功率测量
到目前为止，重点是测量回波损耗而无需任何校准。通过添加简单的校准程序，该电路还可用于精确测量传输功率。图6显示了输入功率在2 ghz时扫描的位置，并使用adc代码以及在校准期间获取的m和b值计算功率。
结论
所描述的电路为测量精确回波损耗提供了方便的解决方案，其中执行校准是不可能的或不合需要的。它的绝对功率检测范围为45 db。这允许在25 db的rf功率范围内测量高达20 db的回波损耗。绝对功率范围可以从0 dbm到+25 dbm的最小范围向上扩展。
虽然所使用的rf检测器的输入频率范围为500 mhz至43.5 ghz，但电路的频率范围通常会受到所使用的rf开关或定向耦合器的限制，特别是在使用表面贴装耦合器时。
所描述的电路已在单个pcb上实现（定向耦合器除外）它可在adi公司获得。有关详细信息，请访问www.analog.com/cn0387。
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rf开关用于交替连接到定向耦合和隔离端口耦合器。使用负逻辑cmos控制电路周期性地切换rf开关上的控制线。吸收式rf开关用于确保定向耦合器的两个端口始终以50ω端接。从开关输出的耦合rf信号然后驱动adl6010的输入，adl6010是一个宽带微波探测器，工作频率范围为500 mhz至43.5 ghz。
ad7091r 12位adc采样adl6010 rf探测器的输出速率为1 msps。这将检测器的模拟输出电压转换为数字代码。使用正向和反向代码，可以在不需要系统校准的情况下计算回波损耗。
无校准回波损耗测量和计算
图2显示了adl6010的传递函数集成微波二极管检测器的直流输出电压与交流输入电压。该探测器具有45 db的探测范围，工作频率范围为500 mhz至43.5 ghz。
该器件具有所谓的线性v / v传输功能。这意味着当输入功率在45 db线性工作区域（大约-30 dbm至+15 dbm或7.1 mv rms至1.3 v rms）内时，直流输出电压与输入交流电压成正比。与传统的基于肖特基二极管的探测器不同，没有平方律操作区域。这导致传递函数可以使用简单的线性方程建模：
其中m是v / v的斜率，b是y轴截距。
用dbm的功率重写这个等式，我们get：
其中r是系统阻抗，通常为50ω。
功率检测器的输出响应温度会有所不同，频率，从设备到设备。因此，前一个等式中m和b的值会有所不同，通常必须使用校准来确定。
要使用输出电压反向计算检测器的输入功率，需要在每个频率和每个频率上进行校准。每个设备。但是，在图1所示的电路中，我们只是试图测量回波损耗。由于正向和反向功率由同一探测器测量，因此可以证明回波损耗可以使用以下公式计算：
其中v f 和v r 是rf开关连接定向耦合器时来自探测器的测量输出电压分别对定向耦合器的正向和反向耦合端口。当y截距（b）接近于零时，这个方程成立，这就是这个特定探测器的情况（见图2）。
这个方程很重要，因为m和b项是没有的更长的礼物。这意味着无需任何系统校准即可测量精确的回波损耗。
实际上，图1中adc的代码用于执行计算。所以最终的等式变为：
同样，由于adc的y轴截距接近0，我们不需要对adc进行任何校准测量精确的回波损耗。
反射系数更容易计算，因为对log（x）计算的要求消失了。这产生了等式：
可以使用以下公式计算vswr：
测试结果
图3显示了当存在20 db的回波损耗时，在2 ghz时测量的回波损耗与输入功率之比。
模拟具有20 db回波损耗的天线，带有9 db衰减器开路输出连接到定向耦合器的输出。理想情况下，这应该导致18 db的回波损耗。然而，当考虑到电缆损耗，连接和耦合器插入损耗的影响时，该测试负载的真实回波损耗确定为大约20 db。
从图3中的图表中，我们请注意，对于0 dbm至+25 dbm的输入功率，测得的回波损耗保持接近20 db。在这些水平之上和之下，测量的回波损耗显着降低。在高端（这是由于探测器输入的功率超过其饱和点+15 dbm），由于耦合系数和插入，通过定向耦合器的+27 dbm功率在rf探测器处显示为+15 dbm开关丢失。
在低端（输入功率低于0 dbm），误差是由探测器的灵敏度引起的。 0 dbm输入功率从负载反射回-20 dbm。该电平通过耦合器和rf开关下降约12 db，到达检测器时的功率电平约为-32 dbm，低于adl6010探测器的输入灵敏度。
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c10-2226上的隔离端口耦合器没有固定终端。相反，用户可以连接50ωsma负载以进行正常操作。但是，在这种情况下，我们利用此功能并使用隔离端口来测量反向功率。因此，我们有效地使用一个能够检测入射和反射功率的器件。
耦合器的耦合系数为10 db。耦合因子对电路级规划有重大影响，如图5所示。为了优化电路的检测范围，天线端口的最大功率应映射到检测器的最大输入功率。因此，在此示例中，10 db耦合系数（以及rf开关的2 db插入损耗）和检测器的最大输入功率+15 dbm将天线端口的最大功率设置为+27 dbm。如果需要更高的输出功率，则可以使用具有更高耦合系数的定向耦合器。这将具有略低的耦合器插入损耗的优点。或者，可以在开关的输出和检测器的输入之间插入额外的衰减。
在实际电路中，表面贴装定向耦合器可能是优选的。这些器件往往具有与此处使用的连接器耦合器类似的插入损耗。但是它们的带宽，方向性和隔离度往往不会那么好。
rf开关选择注意事项
此应用中使用了hmc547lc3开关。这是一款单刀双掷非反射开关，输入频率范围为直流至28 ghz，高速开关时间为6 ns。
此开关的非反射特性对正确无关整个电路的操作。如果没有连接时开关在其输入端出现的50ω负载，则定向耦合器将无法正确端接。
此应用中，开关的插入损耗并不重要。开关的插入损耗有效地增加了定向耦合器的耦合系数。此外，由于正向和反向功率通过相同的路径，因此温度和频率的任何变化都会抵消。该开关与耦合器一起将电路的操作限制在最大28 ghz。要将电路工作在adl6010探测器的最大输入频率，必须使用更高频率的开关。
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射频功率测量
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结论
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虽然所使用的rf检测器的输入频率范围为500 mhz至43.5 ghz，但电路的频率范围通常会受到所使用的rf开关或定向耦合器的限制，特别是在使用表面贴装耦合器时。
所描述的电路已在单个pcb上实现（定向耦合器除外）它可在adi公司获得。有关详细信息，请访问www.analog.com/cn0387。
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