40GHz RMS 检波器简化了准确的高频功率测量

本文作者

Michiel Kouwenhoven
凌力尔特公司(现隶属ADI公司)   设计经理，高频产品

一款非常宽带的新型 RMS 功率检波器为微波设计工程师在微波频率实现复杂调制信号的准确功率测量解决了许多难题。LTC5596 RMS 功率检波器拥有以下主要优势：

• 从 100MHz 至高达 40GHz (Ka 波段) 的宽输入频率范围；完全阻抗匹配至 50Ω，并不需要任何外部匹配组件。
• 35dB 对数线性动态范围，在 I 级器件外壳温度范围内 (-40°C 至 +105°C) 具有 ±1dB 准确度。还可提供工作温度高达 125°C 的 H 级器件。
• 非常平坦的频率响应；200MHz 至 30GHz 之间的响应移位通常小于 ±1dB。
• 高输出驱动能力，能驱动 50Ω 负载。
• 高的 ESD 额定值 (3.5kV HBM 和 1.5kV CDM) 使其易于在生产环境中处理。
• 响应对于大的峰均功率比 (PAPR) 非常不敏感，从而使其很适合于高度复杂波形的准确测量，并不需要进行大量的校准工作。

LTC5596 的 RF 输入准确地阻抗匹配至 50Ω (从 100MHz 至高达 40GHz)，如图 1 中的实测回程损耗所示。

图 1：输入回程损耗与频率的关系曲线

RF 输入的 "地-信号-地" 配置 (图 2) 专为在 5 密耳厚的 RO3003 或相似衬底上与一个共面接地波导无缝对接而设计，并不需要任何外部匹配组件。

图 2：LTC5596 引出脚配置和接口连接

此外，LTC5596 的响应在一个宽输入频率范围内几乎没有什么变化。这最大限度地降低了在不同频率进行响应校准的需要。如图 3 所示，由于响应的频率相依性所引起的测量误差 (相对于在 5.8GHz 频率的响应) 在 200MHz 至 30GHz 的频率范围内小于 ±1dB。

图 3：表示为输入功率测量误差的检波器响应之频率相依性 (相对于 5.8GHz)

就其本性而言，均方根 (RMS) 功率检波器非常适合准确地测量任意波形的平均功率。这是因为此类器件精确地执行用于平均功率 (与信号平方的平均值成比例) 的定义公式。其他类型的功率检波器 (例如：肖特基二极管检波器或解调对数放大器) 则执行稍有不同的操作，这些操作常常涉及信号包络。每当输入波形 (但不是平均功率电平) 改变时，这会引起其响应发生变化。新式通信系统广泛地使用复杂调制的高 PAPR 信号 (OFDM、WCDMA)，并根据 (无线电) 链路的质量自适应地进行调制和代码的调整。这确实导致了数以千计 PAPR 差别很大的不同波形。在这样的环境中，采用非 RMS 功率检波器实现所需的功率测量准确度 (一般为 ±1dB) 常常只能利用广泛全面和耗时费力的校准、以及接收波形类型的先验知识来完成。当采用 LTC5596 RMS 功率检波器时，对于高达 Ka 波段频率的信号而言，此类校准通常就不再是必不可少了。

在许多应用中，RF 信号的功率电平通常是在 dB 标度上规定的 (这种做法的动机之一是传输通路损耗近似为对数线性与距离的关系)。LTC5596 产生一个与其输入端口上的平均功率电平 (rms 信号电平，单位为 dBm) 成比例的 (DC) 输出电压。另外，响应在宽工作温度范围内也是非常稳定的，从而在整个工作温度范围内通常产生小于 ±1dB 的误差，如图 4 所示。

图 4：LTC5596 在 30GHz 的对数线性响应，和相对于 25^oC 时的拟合理想对数线性转移的误差。

在 LTC5596 -37dBm 至 -2dBm 动态范围内的任何一点上，输入功率的 1dB 变化都会导致 29mV 的输出电压变化。例如，针对一个 1dB 功率步进，二极管型检波器或电压线性功率检波器在高功率电平上产生的输出信号变化远远小于其在低功率电平上产生的输出信号变化。这使得它非常难以在整个动态范围内实现足够准确的功率测量。通过把一个 ADC 连接至 LTC5596 输出，可在整个动态范围内获得具有恒定和高分辨率的实测功率数字表示。

此外，LTC5596 还提供了一种简单方法以对输出信号实施额外的滤波，这适用于降低残留的高频纹波和噪声。可容易地利用连接在 OUT 和 FLTR 之间的单个电容器缩减器件内部之输出驱动器放大器的带宽，并不会牺牲器件的电流驱动能力。采用几十 pF 电容通常就足够了。或者，也可以把一个滤波器连接至器件的 OUT 接口。LTC5596 的高驱动能力允许一个很宽的阻抗范围，而不会改变功率测量准确度。LTC5596 非常适合低占空比应用，在此类应用中器件仅在一小部分时间里处于运行状态。在停机模式中输出接口变至高阻抗，这最大限度地减少了输出滤波器中大电容器的放电，并确保一旦器件被重新使能可实现快速稳定。

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