工廠校準(zhǔn)的必要性

在前面描述的典型無線發(fā)送器系統(tǒng)中，幾乎沒有一個(gè)組件提供精確的絕對(duì)增益精度規(guī)格?？紤]發(fā)射功率誤差目標(biāo)為±1 dB的情況。PA、VVA、RF增益模塊和信號(hào)鏈中其他元件等器件的絕對(duì)增益可能因器件而異，以至于產(chǎn)生的輸出功率不確定性明顯大于±1 dB。此外，信號(hào)鏈增益會(huì)隨著溫度和頻率的變化而進(jìn)一步變化。因此，有必要持續(xù)監(jiān)測(cè)和控制正在傳輸?shù)墓β省?/p>

輸出功率校準(zhǔn)可以定義為將外部基準(zhǔn)的精度傳輸?shù)秸谛?zhǔn)的系統(tǒng)中。校準(zhǔn)過程包括斷開天線的連接，并用外部測(cè)量基準(zhǔn)（如RF功率計(jì)）替換天線，如圖1所示。通過這種方式，精確的外部功率計(jì)的精度被傳輸?shù)桨l(fā)射器的集成功率檢測(cè)器中。校準(zhǔn)過程包括設(shè)置一個(gè)或多個(gè)功率電平，從功率計(jì)獲取讀數(shù)，從RF檢波器獲取電壓，并將所有這些信息存儲(chǔ)在EEPROM中。然后，隨著功率計(jì)的移除并重新連接天線，發(fā)射器能夠精確調(diào)節(jié)其自身的功率。隨著放大器增益與溫度、發(fā)射頻率和所需輸出功率電平等參數(shù)的變化，經(jīng)過校準(zhǔn)的板載RF檢波器就像一個(gè)內(nèi)置功率計(jì)，具有絕對(duì)精度，可確保發(fā)射器始終在定義的容差范圍內(nèi)發(fā)射所需的功率。

校準(zhǔn)RF功率控制環(huán)路部分介紹了工廠校準(zhǔn)程序。首先，必須檢查典型RF功率檢波器的特性。系統(tǒng)RF檢波器在整個(gè)溫度和頻率范圍內(nèi)的線性度和穩(wěn)定性強(qiáng)烈影響校準(zhǔn)程序的復(fù)雜性和可實(shí)現(xiàn)的校準(zhǔn)后精度。

射頻檢波器傳遞函數(shù)

圖2顯示了對(duì)數(shù)響應(yīng)RF檢波器（對(duì)數(shù)放大器）的傳遞函數(shù)，為了便于說明，溫度漂移被夸大了。對(duì)數(shù)放大器傳遞函數(shù)是線性dB，可以在其線性工作范圍內(nèi)使用簡(jiǎn)單的一階方程進(jìn)行建模。圖中顯示了三條曲線：+25°C、+85°C和?40°C時(shí)的輸出電壓與輸入功率的關(guān)系。 +25°C時(shí)，檢波器的輸出電壓范圍為?60 dBm輸入功率時(shí)的1.8 V左右至0 dBm時(shí)的0.4 V。傳遞函數(shù)緊隨一條假想直線，該直線位于跡線上。盡管傳遞函數(shù)在末端偏離這條直線，但請(qǐng)注意，在?10 dBm和?5 dBm之間的功率電平下也存在非線性跡象。

圖2.傳遞函數(shù) （V外vs. P在）的對(duì)數(shù)響應(yīng)RF功率檢波器，為了說明目的，溫度漂移被夸大了。

快速計(jì)算表明，該檢波器的斜率約為?25 mV/dB（即輸入功率變化1 dB會(huì)導(dǎo)致輸出電壓變化25 mV）。該斜率在動(dòng)態(tài)范圍的線性部分是恒定的。因此，盡管在?10 dBm左右發(fā)現(xiàn)非線性度略有下降，但使用以下公式對(duì)傳遞函數(shù)在25°C下的行為進(jìn)行建模：

其中截距是外推直線與圖的 x 軸相交的點(diǎn)（參見圖 2）。當(dāng)斜率和截距已知且測(cè)量來自檢波器的輸出電壓時(shí)，通過重寫上述公式計(jì)算未知RF輸入，如下所示：

因此，使用這個(gè)簡(jiǎn)單的一階方程對(duì)檢測(cè)器的傳遞函數(shù)進(jìn)行建模。從校準(zhǔn)的角度來看，該方程很有用，因?yàn)樵摲匠淘试S通過在校準(zhǔn)過程中施加和測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同的功率電平來建立探測(cè)器的傳遞函數(shù)。

接下來，考慮這個(gè)假想探測(cè)器在溫度范圍內(nèi)的行為。輸入功率為–10 dBm時(shí)，輸出電壓從環(huán)境溫度到?40°C或+85°C變化約100 mV。 根據(jù)先前的斜率計(jì)算（?25 mV/dB），這相當(dāng)于測(cè)量功率的偏差為±4 dB，這在大多數(shù)實(shí)際系統(tǒng)中是不可接受的。在實(shí)踐中，需要傳遞函數(shù)隨溫度漂移最小的檢測(cè)器。為確保在環(huán)境溫度下執(zhí)行的校準(zhǔn)程序在整個(gè)溫度范圍內(nèi)也有效，允許變送器在環(huán)境溫度下進(jìn)行工廠校準(zhǔn)，以避免在高溫和低溫下進(jìn)行昂貴且耗時(shí)的校準(zhǔn)周期。

如果發(fā)射器是頻率捷變的，并且必須在定義的頻帶內(nèi)以多個(gè)頻率傳輸，請(qǐng)注意檢波器的行為與頻率的關(guān)系。理想情況下，必須使用響應(yīng)在定義的頻帶內(nèi)沒有顯著變化的RF檢波器。使用具有平坦頻率響應(yīng)的檢波器可以在單個(gè)頻率（通常在中頻）校準(zhǔn)發(fā)射器，并確保隨著頻率的變化幾乎沒有精度損失。

表1顯示了ADI公司各種均方根和對(duì)數(shù)RF功率檢波器的檢測(cè)范圍和溫度穩(wěn)定性。

校準(zhǔn)射頻功率控制環(huán)路

圖3顯示了用于校準(zhǔn)變送器的流程圖，如圖1所示。這種簡(jiǎn)單快速的兩點(diǎn)校準(zhǔn)在功率水平必須僅設(shè)置近似值（但必須精確測(cè)量）的情況下非常有用。為了使這種校準(zhǔn)有效，集成RF檢波器必須在溫度和頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，并且必須具有可預(yù)測(cè)的響應(yīng)，可以使用簡(jiǎn)單的公式進(jìn)行建模。

圖3.簡(jiǎn)單的兩點(diǎn)校準(zhǔn)程序，用于校準(zhǔn)帶有集成對(duì)數(shù)檢測(cè)器的變送器。

確保發(fā)射器的工作功率范圍與RF檢波器的線性工作范圍一致。首先，卸下天線并將功率計(jì)連接到天線連接器。接下來，將輸出功率電平設(shè)置為接近最大功率。功率計(jì)測(cè)量天線連接器的功率，并將讀數(shù)發(fā)送到發(fā)射器的板載微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。同時(shí)，對(duì)RF檢波器ADC進(jìn)行采樣，發(fā)射器的處理器讀取樣本。

接下來，將發(fā)射器的輸出功率降低到接近最小功率的水平并重復(fù)該過程（測(cè)量天線連接器和樣本RF檢波器ADC的功率）。

利用這四個(gè)讀數(shù)（低功率電平、高功率電平、低ADC代碼和高ADC代碼），可以計(jì)算斜率和截距（見圖3）并將其存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中。

射頻功率控制環(huán)路的現(xiàn)場(chǎng)操作

圖4顯示了校準(zhǔn)后用于精確設(shè)置變送器功率的流程圖。在本例中，目標(biāo)是發(fā)射功率誤差小于或等于±0.5 dB。最初，根據(jù)最佳首次猜測(cè)設(shè)置輸出功率電平。接下來，對(duì)檢波器ADC進(jìn)行采樣。從存儲(chǔ)器中檢索斜率和截距，并計(jì)算傳輸?shù)妮敵龉β孰娖健?/p>

圖4.校準(zhǔn)后變送器的操作。

如果輸出功率不在P的±0.5 dB范圍內(nèi)設(shè)置，使用 VVA 將輸出功率增加或減少約 0.5 dB。使用該術(shù)語近似是因?yàn)閂VA可能具有非線性傳遞函數(shù)。再次測(cè)量發(fā)射功率并應(yīng)用進(jìn)一步的功率增量，直到發(fā)射功率誤差小于±0.5 dB。

當(dāng)功率水平在容差范圍內(nèi)時(shí)，如有必要，請(qǐng)持續(xù)監(jiān)控和調(diào)整。例如，如果信號(hào)鏈中某個(gè)元件的增益隨溫度變化而漂移，則當(dāng)測(cè)得的功率超出其±0.5 dB設(shè)定點(diǎn)范圍時(shí)激活環(huán)路。

存在此算法的其他變體。例如，如果希望保持盡可能低的輸出功率，但仍不超過設(shè)定點(diǎn)的0.5 dB，請(qǐng)采用不同的方法。在這種情況下，第一個(gè)功率設(shè)置的電平小于所需的功率電平（并且超出容差）。然后，環(huán)路測(cè)量功率，但設(shè)定點(diǎn)增量要小得多（例如，0.1 dB）。這樣，輸出功率始終從小于設(shè)定值的值接近設(shè)定值。一旦輸出功率進(jìn)入?0.5 dB頻段，功率增量就會(huì)停止，確保實(shí)際電平始終低于設(shè)定點(diǎn)電平，同時(shí)仍在容差范圍內(nèi)。

校準(zhǔn)后誤差

圖5至圖8顯示了來自同一RF檢波器的數(shù)據(jù)，但使用的校準(zhǔn)點(diǎn)選擇和數(shù)量不同。圖5顯示了AD8318在2.2 GHz時(shí)的檢波器傳遞函數(shù)，AD8318是一款工作頻率高達(dá)8 GHz的寬動(dòng)態(tài)范圍RF對(duì)數(shù)檢波器。在這種情況下，檢測(cè)器使用兩點(diǎn)校準(zhǔn)（?12 dBm和?52 dBm）進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)完成后，繪制殘余測(cè)量誤差。請(qǐng)注意，即使在執(zhí)行校準(zhǔn)的環(huán)境溫度下，誤差也不為零，因?yàn)閷?duì)數(shù)放大器不能完全遵循理想的V外vs. P在等式（V外= 斜率× （P在? 攔截）），即使在其運(yùn)行區(qū)域內(nèi)。然而，根據(jù)定義，?12 dBm和?52 dBm校準(zhǔn)點(diǎn)的誤差等于零。

圖5.兩點(diǎn)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)點(diǎn)在探測(cè)器的線性工作范圍內(nèi)，提供良好的整體性能。

圖6.將校準(zhǔn)點(diǎn)分開并移入線性較低的工作范圍會(huì)擴(kuò)展工作范圍，但代價(jià)是精度下降。

圖7.校準(zhǔn)點(diǎn)靠近的兩點(diǎn)校準(zhǔn)可在較窄的范圍內(nèi)提高精度。

圖8.多點(diǎn)校準(zhǔn)擴(kuò)展了檢測(cè)器范圍，可以提高線性度，但代價(jià)是校準(zhǔn)過程更加復(fù)雜。

圖5還包括?40°C和+85°C輸出電壓的誤差圖。 這些誤差圖是使用25°C斜率和截距校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算的。除非實(shí)施基于溫度的校準(zhǔn)程序，否則必須使用具有輕微殘余溫度漂移的25°C校準(zhǔn)系數(shù)。

在許多應(yīng)用中，當(dāng)PA以最大功率傳輸時(shí)，希望具有更高的精度。從多個(gè)角度來看，這種愿望是有道理的。首先，可能存在監(jiān)管要求，要求在全功率或額定功率下具有更高的精度水平。但是，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來看，在額定功率下提高精度也有價(jià)值?？紤]設(shè)計(jì)為傳輸 45 dBm（約 30 W）的發(fā)射器。如果校準(zhǔn)最多只能提供±2 dB的精度，則PA電路（功率晶體管和散熱器）必須設(shè)計(jì)為安全傳輸高達(dá)47 dBm或50 W的功率。相反，可以設(shè)計(jì)一個(gè)校準(zhǔn)后精度為±0.5 dB的系統(tǒng)，以便PA必須設(shè)計(jì)為傳輸比應(yīng)用要求更多的RF功率，以安全傳輸45.5 dBm或大約36 W。

通過改變執(zhí)行校準(zhǔn)的點(diǎn)，在某些情況下可以極大地影響可實(shí)現(xiàn)的精度。圖7顯示了與圖5相同的測(cè)量數(shù)據(jù)，但使用了不同的校準(zhǔn)點(diǎn)。請(qǐng)注意，在圖7中，從?10 dBm到?30 dBm的精度非常高（約±0.25 dB）。但是，在遠(yuǎn)離校準(zhǔn)點(diǎn)的較低功率電平下，精度會(huì)降低。

圖6顯示了移動(dòng)校準(zhǔn)點(diǎn)如何以犧牲線性度為代價(jià)來增加動(dòng)態(tài)范圍。在這種情況下，校準(zhǔn)點(diǎn)為?4 dBm和?60 dBm。這些點(diǎn)位于設(shè)備線性范圍的末端。同樣，在25°C時(shí)的校準(zhǔn)點(diǎn)可以看到0 dB的誤差，AD8318保持<±1 dB誤差的范圍擴(kuò)展到25°C時(shí)的60 dB和整個(gè)溫度下的58 dB。這種方法的缺點(diǎn)是整體測(cè)量誤差增加，特別是在這種情況下，在探測(cè)器范圍的頂端。

圖8顯示了使用更精細(xì)的多點(diǎn)算法的校準(zhǔn)后誤差。在這種情況下，將多個(gè)輸出功率電平（在本例中為6 dB）施加到發(fā)射器，并測(cè)量每個(gè)功率電平下檢波器的輸出電壓。這些測(cè)量用于將傳遞函數(shù)分解為多個(gè)段，每個(gè)段都有自己的斜率和截距。該算法傾向于大大減少由于檢測(cè)器非線性引起的誤差，并使溫度漂移成為誤差的主要來源。這種方法的缺點(diǎn)是校準(zhǔn)過程需要更長(zhǎng)的時(shí)間，并且需要更多的內(nèi)存來存儲(chǔ)多個(gè)斜率和截距校準(zhǔn)系數(shù)。

圖8顯示了功率檢波器在其動(dòng)態(tài)范圍的低端和高端的行為之間的差異。雖然多點(diǎn)校準(zhǔn)擴(kuò)展了高端動(dòng)態(tài)范圍，但由于溫度漂移增加，這種范圍擴(kuò)展沒有用。請(qǐng)注意，環(huán)境走線、熱跡線和冷跡線在功率電平大于?10 dBm時(shí)如何發(fā)散。在低功率水平下，結(jié)果更有用。同樣，多點(diǎn)校準(zhǔn)有助于擴(kuò)展低端動(dòng)態(tài)范圍。但是，在這種情況下，熱跡線和冷跡線會(huì)密切跟蹤環(huán)境跡線，即使環(huán)境跡線變?yōu)榉蔷€性。因此，當(dāng)使用多點(diǎn)校準(zhǔn)消除這種非線性時(shí)，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都能保持出色的精度，從而有效地將AD8318的傳遞函數(shù)擴(kuò)展到?65 dBm。

結(jié)論

在需要精確RF功率傳輸?shù)膽?yīng)用中，需要某種形式的系統(tǒng)校準(zhǔn)?，F(xiàn)代基于IC的RF功率檢波器具有線性響應(yīng)，并且溫度和頻率穩(wěn)定。線性響應(yīng)與溫度和頻率范圍內(nèi)的穩(wěn)定性相結(jié)合，可以顯著簡(jiǎn)化系統(tǒng)校準(zhǔn)，并提供±0.5 dB或更高的系統(tǒng)精度。校準(zhǔn)點(diǎn)的位置和數(shù)量會(huì)對(duì)可實(shí)現(xiàn)的校準(zhǔn)后精度產(chǎn)生重大影響。

審核編輯：郭婷