在設(shè)計無線發(fā)射機時，RF功率的測量和控制是一個關(guān)鍵的考慮因素。高功率RF放大器（HPA）極少在開環(huán)模式下工作，也就是說，送到天線口的功率不能以某種方式進行調(diào)節(jié)。但是，外部因素，如發(fā)送功率控制、網(wǎng)絡(luò)魯棒性、以及與其它無線網(wǎng)絡(luò)共存的要求，進一步凸顯了對發(fā)送功率嚴格控制的需求。除了這些外部要求以外，精確的RF功率控制可以提高頻譜性能，并且節(jié)省發(fā)射機功率放大器的成本和功耗。

為了調(diào)節(jié)發(fā)送功率，通常在出廠時需要對功率放大器的輸出功率進行某種形式的校準。根據(jù)復(fù)雜度和有效性，存在著多種校準算法。本文將集中討論如何實現(xiàn)典型的RF功率控制方案，并且將比較多種出廠校準算法的效果和效率。

集成功率控制的典型無線發(fā)射機

如圖1所示，這是一個典型的無線發(fā)射機框圖，集成了發(fā)射功率測量和控制功能。通過采用定向耦合器，HPA的一小部分信號被反饋到RF檢波器。在該情況中，耦合器的位置一般靠近于天線，位于雙工器和隔離器之后，因此在校準過程中需考慮與這些器件相關(guān)的功率損失。
定向耦合器的耦合系數(shù)的典型值為20 dB~30 dB，因此耦合器的反饋信號比送到天線口的信號低20 dB~30 dB。以該方式耦合信號功率將導(dǎo)致發(fā)射路徑中的功率損失，該插入損耗通常為零點幾dB。

圖1. 集成發(fā)射功率控制的典型RF功率放大器。集成的RF功率檢波器能夠提供關(guān)于正在發(fā)送的功率的當前水平的連續(xù)反饋信息。
外部RF功率計可以與RF功率檢波器結(jié)合使用，以對發(fā)射機進行校準。

在無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中，最大發(fā)射功率的典型范圍是30 dBm~50 dBm（1W~100W），對于測量發(fā)射功率的RF檢波器而言，定向耦合器的信號仍然有些過強。因此在耦合器和RF檢波器之間通常需要進行信號衰減。

現(xiàn)代的對數(shù)響應(yīng)RF檢波器（對數(shù)放大器）的功率檢測范圍約為30 dB~100 dB，并且輸出相對溫度和頻率的變化是穩(wěn)定的。在大部分應(yīng)用中，檢波器的輸出通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，使用非易失存儲器（EEPROM）中存儲的校準系數(shù)，從ADC獲得的數(shù)字量被轉(zhuǎn)換為發(fā)射功率的讀數(shù)。將此功率與設(shè)置功率電平進行比較，如果在設(shè)置功率和測得的功率之間存在任何差異，則應(yīng)進行功率調(diào)節(jié)，這個調(diào)節(jié)可以在信號鏈中的多個位置進行，如調(diào)節(jié)基帶數(shù)據(jù)的幅度，調(diào)節(jié)可變增益放大器（在IF或RF端），或者改變HPA的增益。這樣，增益控制環(huán)路對其自身進行調(diào)節(jié)，并使發(fā)射功率保持在要求的范圍內(nèi)。需要著重指出的是，VVA和HPA的增益控制傳遞函數(shù)常常是非線性的，因此，由給定增益調(diào)節(jié)獲得的實際增益變化是不確定的，所以需要一種控制環(huán)路，它能夠提供關(guān)于所執(zhí)行的調(diào)節(jié)的反饋信息，以及對后繼重復(fù)操作過程的指導(dǎo)信息。

對出廠校準的需要
在我們剛剛描述的系統(tǒng)中，幾乎沒有任何元件能夠提供非常好的絕對增益精度特性。我們設(shè)想需要±1 dB的發(fā)射功率誤差。而器件的絕對增益，如HPA、可變電壓衰減器（VVA）、RF增益模塊、以及信號鏈路中的其它元件，這通常隨器件的不同而變化，致使發(fā)射功率的誤差明顯高于±1 dB。此外，隨著溫度和頻率的變化，信號鏈的增益也會進一步變化，因此，有必要連續(xù)地測量發(fā)射功率。
輸出功率校準可被定義為將外部參考源的精度傳遞到被校準的系統(tǒng)中。在執(zhí)行校準時，通常需要斷開天線的連接，將其更換為外部測量參考源，如RF功率計，如圖1所示。這樣，我們能將外部功率計的精確精度傳遞到發(fā)射器的集成功率檢波器中。校準過程還需設(shè)定一個或多個功率電平，通過功率計獲取讀數(shù)，RF檢波器來獲取電壓，并且將這些信息存儲在非易失RAM（EEPROM）中。然后，將功率計移除，重新連接天線，發(fā)射器將能夠精確地調(diào)節(jié)自身的功率。當其它參數(shù)，如放大器的增益vs.溫度、發(fā)射頻率和輸出功率變化的關(guān)系的參數(shù)，（經(jīng)校準的）的RF檢波器將用作具有絕對精度的內(nèi)建功率計，它將確保發(fā)射機的發(fā)射功率維持在容限值范圍之內(nèi)。

稍后，我們將詳細討論出廠校準程序。首先，我們將詳細討論典型的RF功率檢波器的特性。如我們所看到的， RF檢波器的線性度和穩(wěn)定性相對系統(tǒng)的溫度和頻率的關(guān)系將強烈地影響校準程序的復(fù)雜度和可實現(xiàn)的校準后精度。

RF檢波器傳遞函數(shù)

圖2所示的是對數(shù)響應(yīng)RF檢波器（對數(shù)放大器）的傳遞函數(shù)與溫度的關(guān)系。圖中標出三條曲線，即在25°C、+85°C和–40°C下輸出電壓相對輸入功率的關(guān)系曲線。在25°C下，檢波器的輸出電壓范圍約為1.8 V@-60 dBm~0.4 V@0 dBm。我們可以觀察到，傳遞函數(shù)曲線與上面的假想直線非常接近。該傳遞函數(shù)僅在極限情況下偏離該直線，我們還可以注意到，在-10 dBm和-5 dBm功率電平之間也呈現(xiàn)出非線性。

圖2. 具有溫度漂移的對數(shù)響應(yīng)RF功率檢波器的傳遞函數(shù)（Vout vs. Pin），在該對數(shù)放大器的線性工作范圍內(nèi)，
可以使用簡單的一階方程對此對數(shù)放大器的傳遞函數(shù)建模。

通過快速的計算，該檢波器的斜率約為–25 mV/dB，也就是說，輸入功率的1 dB的變化將導(dǎo)致輸出電壓的25 mV的變化。在動態(tài)范圍的線性部分，斜率是維持不變的，因此，盡管在-10 dBm附近可以觀察到略微的非線性，但是我們?nèi)钥梢允褂煤唵蔚姆匠虒υ搨鬟f函數(shù)在25°C下的行為進行建模：
VOUT = 斜率 × (PIM – 截點)
其中截點是直線延長線與圖線的x軸相交的點。因此，可以使用簡單的一階方程對檢波器的傳遞函數(shù)建模。從校準的角度來看，由于允許在校準過程中通過利用和測量兩個不同的功率電平來建立檢波器的傳遞函數(shù)，因此這是極為有利的。

下面考慮該假想的檢波器隨溫度的變化特性。當輸入功率為-10dB時，我們注意到，室溫變?yōu)楱C40°C或+85°C時，輸出電壓的變化約為100 mV。通過我們之前對斜率（–25 mV/dB）的計算，這相當于測量到的功率變化了±4 dB，這在大部分實際系統(tǒng)中是不可接受的。事實上，我們需要一種檢波器，它的傳遞函數(shù)隨溫度的漂移非常小，這將確保在室溫下執(zhí)行的校準程序在溫度變化時仍然有效， 這樣發(fā)射機就可以在室溫下進行出廠校準，并且避免了在高溫和低溫環(huán)境下反復(fù)執(zhí)行昂貴和耗時的校準程序。

如果發(fā)射機是快速跳頻的，并且在一定頻帶內(nèi)需要在多個頻點發(fā)射信號，那么我們還必須考慮檢波器的行為與頻率的關(guān)系。理想情況是，RF檢波器在定義頻帶內(nèi)的響應(yīng)應(yīng)該比較穩(wěn)定，這樣就可以在單個頻率下校準發(fā)射機，并且校準過的發(fā)射機在頻率變化時變化很小，能夠保證精度。

校準RF功率控制環(huán)路

圖3所示的是用于校準與圖1類似的發(fā)射機的流程圖。這個簡單便捷的2點校準程序適用于僅需要大致設(shè)定功率電平的情況（但是必須進行精確測量）。它的效果依賴于集成的RF檢波器，它相對溫度和頻率變化是穩(wěn)定的，并且具有可預(yù)測的響應(yīng)，可以使用簡單的方程對其建模。我們還必須確保發(fā)射機的工作功率范圍與RF檢波器的線性工作范圍匹配。

圖3. 簡單的2點校準程序可用于校準具有集成對數(shù)檢波器的發(fā)射機。

首先將功率計連接到天線，并且將輸出功率設(shè)定為接近最大功率。測量天線連接器處的功率，將其發(fā)送到發(fā)射機電路板上微控制器或數(shù)字信號處理器（DSP）。同時對RF檢波器的ADC采樣，并將其讀數(shù)提供給發(fā)射機的處理器。接下來，將發(fā)射機的輸出功率減少到接近最小功率，并且重復(fù)上述操作（通過RF檢波器的ADC來測量天線連接器處的功率）。 使用這四個讀數(shù)（低和高功率電平、低和高ADC數(shù)字量），可以計算斜率和截點（參看圖3），并且將計算結(jié)果存儲在非易失存儲器中。

如圖4所示，這是一個在校準之后精確設(shè)定發(fā)射機功率的流程圖。在這個例子中，我們的目標是使發(fā)射功率誤差小于或等于±0.5 dB。首先，根據(jù)最佳預(yù)定結(jié)果來設(shè)定輸出功率電平，接下來對檢波器的ADC采樣，從存儲器中讀取預(yù)先設(shè)定的斜率和截點信息，計算發(fā)射輸出功率電平。如果輸出功率不在PSET的±0.5 dB的范圍內(nèi)，則使用可變電壓衰減器（VVA）使輸出功率增加或減少約0.5 dB。我們在這里使用“近似值”，是因為所采用VVA的傳遞函數(shù)可能是非線性的，然后，再重新測量發(fā)射功率，并且逐漸增加功率，直到誤差小于±0.5 dB。一旦功率電平處于該容限內(nèi)，則在必要時（例如，如果信號鏈路中的元件的增益隨溫度的漂移很大）持續(xù)對其進行監(jiān)測和調(diào)節(jié)。

圖4. 在已校準的發(fā)射機中，使用存儲的校準系數(shù)對發(fā)射功率進行持續(xù)測量和計算，在必要時調(diào)節(jié)功率。

校準后誤差
圖5a~d是相同的RF檢波器在不同的校準點以及不同數(shù)目的校準點所獲得的數(shù)據(jù)。圖5(a)所示的是ADI公司的AD8318檢波器在2.2 GHz下的傳遞函數(shù)，AD8318是一款寬動態(tài)范圍的RF對數(shù)檢波器，頻率高達8 GHz。在這個例子中，使用了2點校準程序（在-12 dBm和-52 dBm處）對檢波器執(zhí)行校準。在完成校準后，我們可以繪制殘留測量誤差的曲線。應(yīng)當注意，該誤差是非零的，這是因為對數(shù)放大器并非完美地符合理想的VOUT vs. PIN方程（VOUT=SLOPE*(PIN-INTERCEPT），即使是在線性區(qū)域內(nèi)。然而，通過適當?shù)恼{(diào)整，可以使校準點處的誤差等于零。

圖5. 校準點的選擇和數(shù)目對系統(tǒng)的準確性有極大的影響。

圖5(a)還包括在−40°C和+85°C下的輸出電壓的誤差曲線。這些誤差曲線是使用25°C的斜率和截點校準系數(shù)計算的。除非我們希望實現(xiàn)某種類型的基于溫度的校準程序，否則我們必須依賴于25C的校準系數(shù)，并且必須忍受該微小的殘留溫度漂移。

在許多應(yīng)用中，理想的是，當HPA在最大功率下發(fā)射信號時仍具有較高的精度。這一點具有許多層面上的含義。首先，提出了在滿功率或額定功率下具有較高水平的精度的要求。然而，從系統(tǒng)設(shè)計的角度來看，也有利于提高額定功率下的精度。考慮被設(shè)計為發(fā)送+45 dBm（約30 W）的發(fā)射機，如果我們知道校準程序至多能夠提供±2 dB的精度，那么HPA電路（功率晶體管和散熱器）必須被設(shè)計為安全地發(fā)射高達+47 dBm或50 W的功率。顯而易見，這造成了成本和體積的浪費。作為替換方案，我們可以設(shè)計校準后精度為±0.5 dB的系統(tǒng)，這樣HPA僅需要安全地發(fā)送45.5 dBm或約36 W的功率，不會過多地增大體積。

通過改變執(zhí)行校準的位置，在某些情況中我們通常可以改變可實現(xiàn)的精度。圖5(b)示出了與圖5(a)相同的測量數(shù)據(jù)。應(yīng)當注意，在−10 dBm~−30 dBm的范圍內(nèi)精度是非常高的。

在圖5(c)中，為了以犧牲線性度為代價來增加動態(tài)范圍而移動校準點。在該情況中，校準點是-4 dBm和-60 dBm。這些點位于器件的線性范圍的末端。再一次地，校準點處的誤差是0 dB@25°C。而且，在60 dB@25°C時，AD8318的誤差能保持在小于±1 dB的范圍內(nèi)，并且在整個工作溫度范圍內(nèi)，58dB動態(tài)范圍的誤差在±1 dB范圍內(nèi)。該方法的缺點在于增加了總體測量誤差，特別增加了檢波器范圍的頂端處的誤差。

圖5(d)所示的是使用更加精密的多點算法獲得的校準后誤差。在該情況中，我們將多個輸出功率電平（在該實例中間距為6 dB）施加到發(fā)射機，并且在每個功率電平下測量檢波器的輸出電壓。我們用這些測量結(jié)果將傳遞函數(shù)拆分為多個部分，每部分具有自身的斜率和截點。該方法往往可以極大地減小由于檢波器非線性引起的誤差，使溫度漂移成為主要的誤差源。該方法的缺點在于，校準程序所需時間較長，并且需要使用較多的存儲器存儲多個斜率和截點校準系數(shù)。

結(jié)論

在需要準確的RF功率傳輸?shù)膽?yīng)用中，通常需要某種形式的系統(tǒng)校準。現(xiàn)代基于IC的RF功率檢波器具有可預(yù)測的響應(yīng)，并且隨溫度和頻率的變化是穩(wěn)定的，可以極大的簡化系統(tǒng)校準程序，能夠提供0.5 dB或更優(yōu)的系統(tǒng)精度。校準點的位置和數(shù)目對校準后精度有極大的影響。