RF功率校准提高无线发射机的性能

在设计无线发射机时，RF功率的测量和控制是一个关键的考虑因素。高功率RF放大器（HPA）极少在开环模式下工作，也就是说，送到天线口的功率不能以某种方式进行调节。但是，外部因素，如发送功率控制、网络鲁棒性、以及与其它无线网络共存的要求，进一步凸显了对发送功率严格控制的需求。除了这些外部要求以外，精确的RF功率控制可以提高频谱性能，并且节省发射机功率放大器的成本和功耗。

为了调节发送功率，通常在出厂时需要对功率放大器的输出功率进行某种形式的校准。根据复杂度和有效性，存在着多种校准算法。本文将集中讨论如何实现典型的RF功率控制方案，并且将比较多种出厂校准算法的效果和效率。

集成功率控制的典型无线发射机

如图1所示，这是一个典型的无线发射机框图，集成了发射功率测量和控制功能。通过采用定向耦合器，HPA的一小部分信号被反馈到RF检波器。在该情况中，耦合器的位置一般靠近于天线，位于双工器和隔离器之后，因此在校准过程中需考虑与这些器件相关的功率损失。
定向耦合器的耦合系数的典型值为20 dB~30 dB，因此耦合器的反馈信号比送到天线口的信号低20 dB~30 dB。以该方式耦合信号功率将导致发射路径中的功率损失，该插入损耗通常为零点几dB。

图1. 集成发射功率控制的典型RF功率放大器。集成的RF功率检波器能够提供关于正在发送的功率的当前水平的连续反馈信息。
外部RF功率计可以与RF功率检波器结合使用，以对发射机进行校准。

在无线基础设施应用中，最大发射功率的典型范围是30 dBm~50 dBm（1W~100W），对于测量发射功率的RF检波器而言，定向耦合器的信号仍然有些过强。因此在耦合器和RF检波器之间通常需要进行信号衰减。

现代的对数响应RF检波器（对数放大器）的功率检测范围约为30 dB~100 dB，并且输出相对温度和频率的变化是稳定的。在大部分应用中，检波器的输出通过模数转换器（ADC）转化为数字量，使用非易失存储器（EEPROM）中存储的校准系数，从ADC获得的数字量被转换为发射功率的读数。将此功率与设置功率电平进行比较，如果在设置功率和测得的功率之间存在任何差异，则应进行功率调节，这个调节可以在信号链中的多个位置进行，如调节基带数据的幅度，调节可变增益放大器（在IF或RF端），或者改变HPA的增益。这样，增益控制环路对其自身进行调节，并使发射功率保持在要求的范围内。需要着重指出的是，VVA和HPA的增益控制传递函数常常是非线性的，因此，由给定增益调节获得的实际增益变化是不确定的，所以需要一种控制环路，它能够提供关于所执行的调节的反馈信息，以及对后继重复操作过程的指导信息。

对出厂校准的需要
在我们刚刚描述的系统中，几乎没有任何元件能够提供非常好的绝对增益精度特性。我们设想需要±1 dB的发射功率误差。而器件的绝对增益，如HPA、可变电压衰减器（VVA）、RF增益模块、以及信号链路中的其它元件，这通常随器件的不同而变化，致使发射功率的误差明显高于±1 dB。此外，随着温度和频率的变化，信号链的增益也会进一步变化，因此，有必要连续地测量发射功率。
输出功率校准可被定义为将外部参考源的精度传递到被校准的系统中。在执行校准时，通常需要断开天线的连接，将其更换为外部测量参考源，如RF功率计，如图1所示。这样，我们能将外部功率计的精确精度传递到发射器的集成功率检波器中。校准过程还需设定一个或多个功率电平，通过功率计获取读数，RF检波器来获取电压，并且将这些信息存储在非易失RAM（EEPROM）中。然后，将功率计移除，重新连接天线，发射器将能够精确地调节自身的功率。当其它参数，如放大器的增益vs.温度、发射频率和输出功率变化的关系的参数，（经校准的）的RF检波器将用作具有绝对精度的内建功率计，它将确保发射机的发射功率维持在容限值范围之内。

稍后，我们将详细讨论出厂校准程序。首先，我们将详细讨论典型的RF功率检波器的特性。如我们所看到的， RF检波器的线性度和稳定性相对系统的温度和频率的关系将强烈地影响校准程序的复杂度和可实现的校准后精度。

RF检波器传递函数

图2所示的是对数响应RF检波器（对数放大器）的传递函数与温度的关系。图中标出三条曲线，即在25°C、+85°C和–40°C下输出电压相对输入功率的关系曲线。在25°C下，检波器的输出电压范围约为1.8 V@-60 dBm~0.4 V@0 dBm。我们可以观察到，传递函数曲线与上面的假想直线非常接近。该传递函数仅在极限情况下偏离该直线，我们还可以注意到，在-10 dBm和-5 dBm功率电平之间也呈现出非线性。

图2. 具有温度漂移的对数响应RF功率检波器的传递函数（Vout vs. Pin），在该对数放大器的线性工作范围内，
可以使用简单的一阶方程对此对数放大器的传递函数建模。