用于精确功率测量的二极管传感器技术

本文中我们将分析一些现代通信系统对测量功率的需求，并将介绍功率测量技术以及在进行功率测量的过程中存在的误差和不确定性。

客户对数据率日益提高的需求已经驱使从第一代移动电话和微波链路所使用的简单的恒定包络调制方式-如PMR设备中使用的FM制式-向更为复杂的调制制式如GMSK、CDMA|0">CDMA和N-QAM转移。

本文将重点介绍对CDMA和N-QAM系统的均方根(RMS)测量，并将介绍可用于测量这些类型信号的两种不同类型的传感器技术。

CDMA信号如IS-95(北美窄带CDMA标准)或3GPP WCDMA标准具有大量的幅度内容。通常情况下,峰值到平均功率的比值最小为10dB,最高可能为16dB。这种幅度变化致使传统的CW线性校正二极管传感器不适合于这些类型的测量。

射频链路已经采用了N-QAM-典型的是64 QAM或256 QAM-调制方式以提高数据率。其它如WLAN标准这样的一些较新且数据率较高的系统也采用了64QAM以获得最快的数据率。这些系统的符号率通常高于大多数常见的峰值功率计的带宽，而RMS测量可以对系统的功率作出精确和经济的指示。

功率测量技术已经确定了三类主要的功率传感器设计：热敏电阻、二极管和热电堆或塞贝克效应(Seebeck effect)。热敏电阻传统上一直被用于标准的转换，并不用于对系统和设备的常规测量，因为它们的功率处理能力有限。

基于二极管的传感器一直有两种不同的形式：仅基于平方律的传感器和线性校正宽动态范围传感器。最近，人们已经推出了第三类二极管传感器，即基于多只二极管的传感器。

热电堆或塞贝克效应传感器根据热电偶的原理工作，并依赖于输入信号的热效应。这使它们成为测量复杂波形如N-QAM的真实RMS功率的理想选择，因为无论加在载波上的调制方式是什么，它们将总是对输入波形的真实RMS值作出响应。

热电堆具有良好的返回损失，它可以减小测量的不确定性。唯一的缺点在于它们的动态范围有限，且与二极管传感器相比响应速度较慢。安立的快速热传感器具有4ms的响应时间。

图2所示为热电堆单元和二极管检测器的响应。传统的二极管检测器要么工作在平方律区域，因此动态范围被限制为50dB；要么采用线性校正技术来扩展它们的动态范围。这种技术受到功率计速度的限制，并且不适合于系统传输的符号率远远超过功率计采样率的应用。

图1：热电堆传感器

图2：MA2481B通用传感器

如图2所示，我们可以看到二极管平方律从-70dBm延伸到大约-20dBm。通用的传感器利用三条二极管路径构成的平方律区域来制成一种从+20dBm覆盖到-60dBm动态范围的真正的RMS传感器。在二极管对之间有两个转换点，第一个转换点大约在-3.5dBm，而第二个转换点在-23.5dBm。

对于检测器A的路径，有40dB的衰减；如果输入功率在+20dBm到-3.5dBm的范围内，就要选择该检测器。因此，在二极管上的信号电平的变化范围从-20dBm到-43.5dBm。检测器B具有23dB的衰减，如果输入功率的范围在-3.5dBm到-23.5dBm之间，就要选择该检测器。在二极管上的信号电平的变化范围从-26.5dBm到46.5dBm。

最后一对二极管－检测器C只有6dB的衰减，并且当输入电平下降到-23.5dBm以下才工作。在二极管上的信号电平的变化范围从-29.5dBm 到-66dBm。系统框图和物理版图如图3和4所示。

图3：MA2481B通用传感器

图4：通用传感器的物理版图

那么，这三对二极管工作的优势是什么？我们具有一个真实的RMS范围达到80dB的传感器，那么对于测量由UE-希望覆盖宽的动态范围-产生的WCDMA信号就非常有用。当然，仅仅采用两对二极管路径就可能制成类似的传感器。二极管的平方律区域为50dB，所以如果具有两个路径，其中每一个都工作在40dB的范围内，那么，这就足以产生一个动态范围是80dB的传感器。

然而，让我们比较两个传感器的噪声性能。对于两个路径传感器，在－20dBm的中途转换点，在二极管上的输入功率等于-60dBm，在此点的噪声会对测量造成严重的影响。对于三路径传感器，在任一个转换点的最低信号都是-46dBm，所以信噪比要比采用双路径的方法好得多，从而使测量速度更快，但是精度较低。

测量误差和不确定性可以分成四个受影响的主要区域：功率计、校正器、传感器以及被测器件的一些特性，如匹配和伪信号输出。我们将依此考查这些领域以分析它们对功率测量的贡献。

图5：安立的ML2437A功率计的简化框图。

这是一个现代功率计的典型方框图。输入信号被放大后，经过模数转换，然后，由DSP处理。在传统的功率计中，放大器