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
作者：eamon nash和eberhard brunner，adi公司
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(>1时，
(28)
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
(29)
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，
(30)
并在式30中使用式9，得到：
(31)
(32)
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
1. doug jorgesen和christopher marki。方向性与vswr测量：了解回波损耗测量。marki microwave，2012。
2. guillermo gonzalez。微波晶体管放大器分析与设计。prentice-hall，1984。
3. eamon 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。
致谢
感谢steve boyle提供深思熟虑的分析和建设性意见，感谢rob hicks创建评估板。此外，我们永远感谢peter kearney所做的全部测量工作。
eamon nash是adi公司应用工程总监。他已在adi公司工作28年，担任过涉及混合信号、精密和rf产品的不同现场应用支持和工厂职位。他目前在adi公司的rf产品部门工作，专注于rf功率测量、相控阵雷达和毫米波成像。他拥有爱尔兰利默里克大学电气工程学士学位。
eberhard brunner是adi公司资深设计工程师，拥有加州大学伯克利分校电气工程学士学位(1988)和俄勒冈研究所电气工程硕士学位(1995)。他还是圣克拉拉大学的校友。从加州大学伯克利分校毕业后，他曾在微波无线电公司harris farinon担任调制解调器设计工程师。1991年，他搬到俄勒冈州，加入adi公司西北实验室，向adi研究员barrie gilbert汇报工作。从那时起，他一直担任技术员和应用工程师，主要从事设计工作，同时提供产品工程和营销支持。他的专长领域是非线性模拟设计、rf功率检测、医学成像和微波设计。他目前在加州圣巴巴拉的以太网供电(poe)设计部工作。他拥有10项已授权专利。
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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(>1时，
(28)
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
(29)
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，
(30)
并在式30中使用式9，得到：
(31)
(32)
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。
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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
1. doug jorgesen和christopher marki。方向性与vswr测量：了解回波损耗测量。marki microwave，2012。
2. guillermo gonzalez。微波晶体管放大器分析与设计。prentice-hall，1984。
3. eamon 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。
致谢
感谢steve boyle提供深思熟虑的分析和建设性意见，感谢rob hicks创建评估板。此外，我们永远感谢peter kearney所做的全部测量工作。
eamon nash是adi公司应用工程总监。他已在adi公司工作28年，担任过涉及混合信号、精密和rf产品的不同现场应用支持和工厂职位。他目前在adi公司的rf产品部门工作，专注于rf功率测量、相控阵雷达和毫米波成像。他拥有爱尔兰利默里克大学电气工程学士学位。
eberhard brunner是adi公司资深设计工程师，拥有加州大学伯克利分校电气工程学士学位(1988)和俄勒冈研究所电气工程硕士学位(1995)。他还是圣克拉拉大学的校友。从加州大学伯克利分校毕业后，他曾在微波无线电公司harris farinon担任调制解调器设计工程师。1991年，他搬到俄勒冈州，加入adi公司西北实验室，向adi研究员barrie gilbert汇报工作。从那时起，他一直担任技术员和应用工程师，主要从事设计工作，同时提供产品工程和营销支持。他的专长领域是非线性模拟设计、rf功率检测、医学成像和微波设计。他目前在加州圣巴巴拉的以太网供电(poe)设计部工作。他拥有10项已授权专利。
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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
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