CN0366 ?30 dBm至+15 dBm范圍的40 GHz微波功率計

CN0366 在功率監(jiān)控和VGA應用中，常見做法是用耦合器獲取傳輸線路的一些功率，然后將信號饋入RF/微波檢波器，如圖14所示。? ?? 圖14.使用耦合器的功率計通用應用 校準此設置時，上述校準程序不變。耦合器和傳輸線路的損耗通過校準消除，并在斜率和截距公式中考慮。計算系統(tǒng)斜率和截距時，使用施加于耦合器輸入端的電壓電平。系統(tǒng)斜率和截距用檢波器輸入電壓和ADC輸出碼表示如下： 其中：VHIGH、VLOW 分別為施加于檢波器輸入端的高電壓和低電壓(圖14中用一般形式 VIN 表示)。CODEHIGH、CODELOW 分別為ADC的高輸出和低輸出。 若將已知電壓施加于耦合器輸入端(圖14中用一般形式 VCOUPLER 表示)，則耦合器輸入與檢波器輸入之間具有如下一般關系： VIN = VCOUPLER × Voltage Loss 其中，Voltage Loss為小數(shù)形式的恒定衰減系數(shù)。 例如，若從耦合器輸入到檢波器輸入的電壓損耗為20 dB，則電壓損耗系數(shù)為1/10。 如果使用耦合器輸入端的電壓電平，而不是檢波器輸入端的電壓電平，則系統(tǒng)斜率的新表達式(包括耦合器和傳輸線路損耗)為： 其中，VHIGH’ 和 VLOW’ 分別是耦合器輸入端的高校準電壓和低校準電壓。 若用檢波器輸入電壓以及耦合器和傳輸線路的損耗表示，則上式變?yōu)椋? 圖15顯示了一個采用10 dB損耗耦合器的系統(tǒng)在1 GHz和5 GHz時的傳遞函數(shù)。 圖15.采用10 dB耦合器的系統(tǒng)在1 GHz和5 GHz時的實測功率和誤差與施加功率的關系 設備要求 若要進行CN-0366中所述的評估，需要如下設備： ADL6010-EVALZ 評估板。 EVAL-AD7091 RSDZ 評估板。 EVAL-SDP-CB1Z SDP 板。 Agilent E8257D信號發(fā)生器。 Agilent 34410A數(shù)字萬用表。 通過USB電纜將Windows? 7 PC連接到SDP板(隨EVAL-SDP-CB1Z提供)。 用5 V電源為ADL6010-EVALZ板供電。 用9 V交流變直流壁裝式轉(zhuǎn)換器為EVAL-AD7091RSDZ評估板供電(隨EVAL-AD7091RSDZ提供)。注意，EVAL-SDP-CB1Z由EVAL-AD7091RSDZ上的穩(wěn)壓器供電。 CN-0366 評估軟件。 開始使用 對ADL6010-EVALZ評估板EVAL-AD7091RSDZ評估板進行如下改動和鏈路設置，以便實現(xiàn)圖1所示電路。 對于ADL6010-EVALZ，用200 Ω電阻(0402尺寸)替換R1。 對于EVAL-AD7091RSDZ，用0 Ω電阻(0603尺寸)替換R1，用340 Ω電阻(0603尺寸)替換C13。對于EVAL-AD7091RSDZ鏈路設置，將LK1調(diào)到位置C，將LK2調(diào)到位置C，LK3和LK4保持開路。 圖16.測試RF和微波功率計的功能框圖 功能框圖 圖16顯示了用于測試接收鏈的測試設置的功能框圖。 設置與測試 設置和測試微波功率計系統(tǒng)的步驟如下： 開啟所有測試設備，等待測試設備預熱完畢。 將ADL6010-EVALZ評估板輸入連接到Agilent信號發(fā)生器(建議利用管式連接器從信號發(fā)生器直接連到評估板)。 將ADL6010-EVALZ評估板輸出連接到EVAL-AD7091RSDZ評估板輸入。 將EVAL-SDP-CB1ZSDP板連接到EVAL-AD7091RSDZ評估板。 通過USB電纜(隨SDP板提供)將SDP板連接到PC。 將CN-0366評估軟件下載并安裝到與SDP控制板相連的PC。 正確安裝軟件后，運行可執(zhí)行文件。 開啟信號發(fā)生器，將它設置為ADL6010工作范圍以內(nèi)的功率和頻率。 為了獲得準確的功率讀數(shù)，運行軟件中的校準程序。 軟件GUI隨即計算并顯示施加于ADL6010輸入端的功率。 圖1所示電路利用RF和微波功率檢波器 ADL6010 將交流波形轉(zhuǎn)換為與輸入波形幅度對應的比例輸出電壓。輸出電壓為線性電壓，斜率單位為V/V rms。然而，在大多數(shù)功率計應用中，輸出電壓是一個代表輸入波形幅度的穩(wěn)定直流值ADL6010可提取帶寬高達40 MHz的RF信號包絡。 12位、1 MSPS ADC AD7091R 對檢波器輸出進行采樣，數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集板處理，然后送至PC作進一步處理和分析。該ADC內(nèi)置2.5 V基準電壓源，可利用它來設置滿量程電壓。如果需要更大的滿量程電壓，可由外部基準電壓源驅(qū)動到更高的電壓。 該系統(tǒng)必須進行校準，因為輸出電壓取決于輸入波形的頻率。測量調(diào)制信號時，還需要一個校正系數(shù)。為了執(zhí)行計算，提供了一個帶簡單圖形用戶界面的PC軟件(CN-0366評估軟件)。 功率檢波器 ADL6010是一款45 dB包絡檢波器，工作頻率范圍是500 MHz到43.5 GHz。其線性電壓斜率約為5.9 V/V rms，檢波器絕對輸入范圍為?30 dBm至+15 dBm或?43 dBV至+2 dBV(50 Ω系統(tǒng)中)。檢波器單元使用專有八肖特基二極管陣列，后接新穎的線性化電路，可創(chuàng)建相對于輸入均方根電壓幅度，總比例因子(或傳遞增益)標稱值為5.9的線性電壓表。利用輸出均值電容，ADL6010可以檢測具有可變包絡的信號，但對于相同的輸入功率，必須使用校正系數(shù)來補償輸出電壓的變化。輸出電壓與均方根輸入電壓的關系如下： 其中： VOUT 為VOUT引腳上的電壓。 Slope 約為5.9 V/V rms(10 GHz時)。 VRFIN 為均方根輸入電壓。 Intercept 為延長后數(shù)據(jù)經(jīng)過Y軸的值。 圖2為ADL6010的功能框圖。 圖2.ADL6010RF/微波檢波器功能框圖 圖3所示為不同頻率下傳遞函數(shù)的變化。在1 GHz到40 GHz范圍內(nèi)，輸出電壓約有300 mV的差異。在整個頻率范圍內(nèi)，溫度變化小于±0.5 dB。圖4和圖5分別顯示10 GHz和40 GHz下的溫度變化。 圖3. 500 MHz到43.5 GHz頻率范圍內(nèi)的傳遞函數(shù) 圖4.不同溫度下10 GHZ時的傳遞函數(shù)和誤差 圖5.不同溫度下40 GHZ時的傳遞函數(shù)和誤差 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD7091R 是一款12位、1 MSPS ADC，輸入電壓范圍為0 V至VREF，其基準電壓由內(nèi)部2.5 V基準電壓源提供，或由取代內(nèi)部基準電壓源的外部基準電壓源提供。外部基準電壓源最高可達5 V。對于2.5 V滿量程電壓 (VREF = 2.5 V)，LSB大小為： ADL6010的輸出電壓約為25 mV至4 V，因此，當AD7091R使用內(nèi)部2.5 V基準電壓源時，利用一個衰減比約為1.6的200 Ω/340 Ω電阻分壓器便能將信號幅度降低至該ADC支持的范圍以內(nèi)。 數(shù)據(jù)分析 EVAL-SDP-CB1Z 演示平臺(SDP)板與基于AD7091R評估板控制軟件的軟件一起使用，以捕捉ADC采樣的數(shù)據(jù)。該軟件可讀出功率計值，并具有校準選項。功率計顯示屏顯示施加于ADL6010輸入端的功率。為了利用ADL6010和AD7091R精確測量功率，應將兩個不同電平的已知輸入功率施加于ADL6010輸入端，然后讀取相應的ADC輸出碼。這四個值構成圖上的兩點，必須將其存儲起來以供之后的校準程序使用。這兩點為： 第1點：(VLOW, CODELOW) 第2點：(VHIGH, CODEHIGH) 根據(jù)這兩點便可求出斜率和截距，進而在特定工作頻率下校準系統(tǒng)。 圖6為軟件功率水平顯示。 圖6.CN-0366評估軟件顯示 系統(tǒng)傳遞函數(shù) 從檢波器輸入到ADC輸出的系統(tǒng)斜率和截距為： 其中： SlopeSYS 為系統(tǒng)斜率。 CODEHIGH、CODELOW 分別為ADC的高碼輸出和低碼輸出。 VHIGH、VLOW 分別為高RF電壓和低RF電壓。 INTSYS 為系統(tǒng)截距。 系統(tǒng)整體傳遞函數(shù)為： 其中，VIN 為輸入RF信號的均方根電壓。 求解 VIN： 因此，功率PIN(dBm)可表示為： 對于50 Ω輸入阻抗，此公式可簡化為： 用戶校準算法 CN-0366評估軟件在特定工作頻率執(zhí)行一次性校準。校準通過校準選項卡完成，如圖6中的窗口所示。校準程序如下： 將RF功率設置為高電平 (VHIGH)。 測量ADC輸出碼 (CODEHIGH)。 將RF功率設置為低電平 (VLOW)。 測量ADC輸出碼 (CODELOW)。 計算系統(tǒng)斜率(單位為碼/V)。 計算系統(tǒng)截距(單位為碼)。 將斜率和截距存儲為校準系數(shù)。 用任意輸入RF功率測量ADC碼。 利用該碼、斜率和截距計算輸入功率。 包括ADC的完整信號鏈的測量結果 利用CN-0366評估軟件獲取多個頻率上的測量結果。每個頻率都要先校準，再測量。結果如圖7、圖8和圖9所示。圖7中，注意誤差與校準功率水平的相關性。選擇適當?shù)男仕娇赡苄枰恍┰囧e過程。 圖7至圖9顯示了實測輸入功率與施加于ADL6010輸入端的實際功率的關系以及二者之間的誤差。 數(shù)據(jù)是在0°C、25°C和70°C溫度下獲得，結果如圖10、圖11、圖12和圖13所示，分別針對1 GHz、10 GHz、20 GHz和30 GHz的頻率。 注意，某些測量結果是利用不具均值功能的舊版軟件獲得的，因此在較低輸入功率水平時會有較大紋波。 圖7.各種三點校準下實測功率和誤差與施加功率的關系(1 GHz) 圖8.不同頻率下實測功率與施加功率的關系 圖9.不同頻率下實測功率誤差與施加功率的關系 圖10.不同溫度下實測功率和誤差與施加功率的關系(1 GHz) 圖11.不同溫度下實測功率和誤差與施加功率的關系(10 GHz) 圖12.不同溫度下實測功率和誤差與施加功率的關系(20 GHz) 圖13.不同溫度下實測功率和誤差與施加功率的關系(30 GHz) 公式總結 下面總結了CN-0366中的公式，另外還給出了幾個公式以便用戶深入了解此功率計電路的功能。 ADL6010的傳遞函數(shù)為： 其中： VOUT 為檢波器的直流輸出電壓。 SlopeDET 為檢波器的增益/斜率，單位為V/V rms。 VIN 為輸入RF信號的均方根電壓。 INTDET 為檢波器的截距，單位為V。 求解 VIN： ADC傳遞函數(shù)(由ADL6010驅(qū)動時)為： CODE = VOUT/LSB LSB = VREF/4096 其中： CODE為ADC輸出碼，這是一個范圍從0到4096的無單位數(shù)字。 VREF為ADC的滿量程基準電壓，單位為V。LSB為ADC可以分辨的最小量化電壓，單位為V/步或V/位。 求解 VOUT： VOUT = CODE × LSB 將此式代入前面的VIN公式可得： 將所有量再折合到輸入功率可得： 其中，R為ADL6010 RFIN引腳的阻抗。將VIN代入功率計算公式可得： 上式簡化后得到： 此公式涉及到ADL6010檢波器輸出斜率和截距，有助于從概念上了解系統(tǒng)的相互作用關系。然而，在實際應用中，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)需要用系統(tǒng)的總斜率和截距來表示，其中斜率的單位為碼/V，截距的單位為碼。最終傳遞函數(shù)可以按如下方式推導。 用系統(tǒng)斜率 (slopeSYS) 和系統(tǒng)截距 (INTSYS) 表示的系統(tǒng)傳遞函數(shù)的推導從公式2開始，公式2中的輸入功率用檢波器斜率 (slopeDET) 和檢波器截距 (INTDET)表示。將 VIN 表達式(公式2)的分子和分母同時乘以1/LSB便可實現(xiàn)推導，具體如下所示： 將此 VIN 表達式代入公式2便可得到公式1。 INTDET 單位為V，SlopeDET 單位為V/V rms，LSB單位為V/碼。乘以1/LSB后， INTDET 變?yōu)榈刃DC碼，檢波器斜率變?yōu)橄到y(tǒng)斜率(單位為碼/V rms)，如下式所示： INTSYS = INTDET/LSB Slopesys = SlopeDET/LSB 有關CN-0366電路的完整設計文件，包括原理圖、布局布線、Gerber和物料清單，請參閱 CN-0366 設計支持包。 CN0366 ?30 dBm至+15 dBm范圍的40 GHz微波功率計 圖1所示電路是一款40 GHz 精密微波功率計，具有45 dB范圍，僅需兩個器件。RF檢波器有一個采用肖特基二極管的創(chuàng)新檢波器單元，后接一個模擬線性化電路。一個低功耗、12位、1 MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)通過串行外設接口(SPI)端口提供數(shù)字輸出。 測量之前，在需要的特定RF頻率執(zhí)行簡單的校準程序。然后，用戶便可在測量模式下使用該系統(tǒng)。在測量模式下，CN-0366 評估軟件 顯示施加于檢波器輸入端的校準 RF輸入功率(單位為dBm)。 采用5 V單電源供電時，該電路的總功耗低于9 mW。? 圖1.微波功率計原理示意圖(未顯示去耦和所有連接) CN0366 CN0366

• 40GHz功率計
• 45dB動態(tài)范圍
• 低功耗

(analog)