测量RF信号链中的正向和反射功率

　　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。有时也希望将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 = 50，则电桥的检测电阻为5，这样插入 损耗 （《1dB） 与信号检测便实现了良好的折衷。从负载回头看来计 算ROUT，得到精确的50端口阻抗，而计算RIN将得到50.8端口阻抗（|Γ| = 0.008；RL = –42 dB；VSWR = 1.016）。如果在RFIP施加图示信号，由于RIN约为50，所以RFIP处的电压约为电源电压的一半。暂时假定RFIP处的电压等于1 V，则RFOP处的电压约为0.902 V。
　　该电压进一步衰减10/11 = 0.909，使得差分放大器的负输入为0.82V，所得差分电压为 （1 – 0.82） = 0.18 V。电桥的有效正向耦合因子 （Cpl） 为
　　
　　就电桥而言，平衡意味着当信号反向施加时（RFOP至RFIP），VFWD 检波器（或Cpl端口）在理想情况下将看到零差分电压，而当信号正向施加时（RFIP到RFOP），看到的将是最大信号。为了在这种结构中获得最大的方向性，精密电阻最重要，因此将其集成是很有益的。
　　在单向桥中，为了确定计算回波损耗所需的隔离，需要翻转器件，然后将输入信号施加于RFOP。在这种情况下，电桥是平衡的，差分放大器的正负输入相等，因为相同的分压比0.909 = （10R/（10R + R） = （R/（R+0.1R））导致差分电压（V+减V-）= 0 V。
　　
　　图6. 简化单向桥电路图

　　双向桥
　　图7是双向桥的简化图，与ADL5920中使用的类似。对于50环境，单位电阻R等于50。因此，电桥的检测电阻值为5，而两个分流网络的电阻值均为约1.1 k。
　　这是一个对称网络，因此当RS和RL也等于50时，输入和输出电阻RIN和ROUT相同且接近50。
　　当源阻抗和负载阻抗均为50时，内部网络的欧姆分析告诉我们，与VREV相比，VFWD将相当大。在实际应用中，这对应于从信号源到负载的最大功率传输。这导致反射功率很小，进而导致VREV非常小。
　　接下来，我们考虑如果RL为无限大（开路）或零（负载短路），会发生什么情况。在这两种情况下，如果重复欧姆分析，我们会发现VFWD和VREV大致相等。这反映了一个实际系统在开路或负载短路情况下，正向和反射功率相等。下面将对这些情况进行更详细的分析。
　　
　　图7. 简化双向桥电路图