干货,一文弄懂RF检波器那些事

2018-10-30 来源:微波射频网作者:ADI 我要评论(0) 字号:

WiFi、4G、蓝牙等各种无线连接技术的普及带动各种终端设备井喷式增长,包括物联网、可穿戴等各种基于无线连接技术的新兴产业迅速成长起来,各种无线信号链解决方案涌现推动这种热潮的持续发展。在无线信号链中,很久没有听到有人提起一个关键的组件——检波器,作为在业界无线系统中的RF和IF信号检测应用广泛的高性能RF检波器提供商,ADI专家最近的一场技术讲座对这个无线设计中“原始”而重要的器件的一场分享,让笔者有机会重新梳理这个重要但有点陌生的产品技术。

检波又称振幅解调,它的作用是从已调制的高频振荡中恢复出原来的调制信号。从频谱上看,检波就是将幅度调制波中的边带信号不失真地从载波频率附近搬移到零频率附近。随着RFID、雷达、物联网……的广泛普及应用,射频传输无处不在,检波器应用越来越多。而RF检波器拥有着远高于传统的二极管检波器的灵敏度和稳定性,逐渐地占领射频行业的市场。

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这些典型应用,检波器很关键

先来看看射频检波器的各种应用。在测试和测量应用中,射频功率检波器用于精密测量射频功率,以及用作频谱和网络分析仪中输入保护电路的一部分。在通信和医疗应用中,射频检波器用于监测和控制发射功率和天线回波损耗。

一种新兴应用是基于射频的材料分析,其中检波器好比是微型网络分析仪,分析材料反射的信号的幅度和相位,并利用算法来确定材料的特性,例如水分含量。还有许多应用,其中射频检波器用于测量脉冲功率,如电子支付系统、雷达和电子战。

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RF检波器是一种微型RF功率计

现在,对于那些不熟悉射频检波器操作的人来说,其功能非常简单,最好在时域中观察。想象一个射频检波器由一个输入电平随时间变化的信号驱动,如左图所示。当输入电平提高时,检波器的直流输出电平也会提高。现在,尽管输入电平和输出电平之间的确切关系会随器件和功能而变化,但该基线响应对所有射频功率检波器都是通用的。

了解性能特性差异,为应用选择正确的检波器

现在谈谈不同类型的射频检波器。最常见的类型是对数放大器,它提供与输入信号的对数值成比例的直流输出。对数放大器的检测范围介于40 dB到100 dB,响应时间相对平坦。

RMS检波器执行完整的均方根计算。RMS检波器可以具有线性V/V或线性dB输出响应。增益和相位检波器是特殊对数放大器,用于计算两个输入信号之间的幅度和相位差。这些器件有两个RS输入。

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SDLVA代表连续检测对数视频放大器。在架构上,这些器件与对数放大器没有区别,但有两个特殊特性:优异的频率平坦度和快速响应时间。后面还会讲到有关这些器件的更多信息。

最后还有峰值和包络检波器。这些是快速响应器件,可以捕获和保持峰值,或跟随射频脉冲或QAM调制信号的快速变化包络而变化。

如果器件间的温度漂移是一致且可重复的,一般可以进行额外的温度补偿。在这种情况下,可以使用两个片外电阻将热和冷漂移拉回0 dB,获得总体更好的温度漂移。

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在诸如射频功率计的宽带应用中,输出电压和频率的变化变得非常重要。基本上,相对于频率的变化越大,所需的频率校准点就越多。用两类图形来显示输出电压随频率的变化。左侧第一张图是简单的一系列功率扫描,每条迹线表示特定频率的传递函数。我们同时使用第二类图形显示频率响应。右侧图形显示了输出电压与频率的关系,每条迹线表示特定的射频功率水平。该图对于评估频率校准点需要相隔多远非常有用。

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该图显示了新型RMS检波器LTC5596的频率响应,其工作频率高达40 GHz。此器件的重要特性是其频率响应在如此宽的频率范围内保持平坦。可以看到,从大约200 MHz到30 GHz,迹线始终保持在大约60 mV。LTC5596的斜率约为30 mV/dB。使用这两个数字,我们可以看到这对应于大约2 dB的频率平坦度;对于此类宽带器件来说,这是前所未有的。

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在左边的图表中,我们绘制了输出电压与输入电平(dB)的关系曲线。蓝色曲线是所谓的线性dB传递函数。我们称其为线性dB,是因为对于输入端的每dB变化,输出电压的变化是恒定的。相比之下,当您将其绘制为电压输出与dBm的关系时,左图中的黑色曲线具有指数特性。这是基于二极管的射频检波器的典型响应。

右图绘制使用的数据相同,显示了电压输出与电压输入的关系。现在蓝色曲线具有对数特性。因此,具有线性dB特性的射频检波器常被称为对数放大器。右边的黑色曲线变成了一条直线,因此,这种传递函数常被称为线性V/V。每种传递函数都有自己的优点和缺点,我们将在后面探讨。但是,暂时我们可以说,线性dB器件是对数放大器,往往具有优异的范围和灵敏度,而线性V/V检波器往往具有较低的范围,但在高射频功率水平下具有出色的分辨率和精度。

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典型RF检波器的操作的几点建议

使用射频检波器所需的基本支持电路具有普遍性。射频输入几乎总是交流耦合。交流耦合电容有时在芯片内部,有时在外部。采用外部交流耦合的器件往往以较低频率工作。射频应用一般偏好50欧姆的输入阻抗。然而,很多射频检波器的输入电阻远高于此。

因此,一般会在器件上放置一个外部分流电阻,以使电路的有效输入电阻为50欧姆。一些射频检波器具有便于补偿温度漂移的功能。它通常采用外部施加电压的形式,推荐用于在特定频率下优化温度稳定性。

由于射频检波器有效地将AC信号转换为DC信号,所以在输出端将需要对信号进行平均。大多数情况下,器件具有一个可以连接均值电容的引脚。当然,均值水平与输出对输入变化的响应时间之间存在隐含的折衷。

许多射频检波器还具有灵活的输出信号缩放特性。将VOUT引脚直接连到VSET引脚,可以设置标称斜率。但若通过一个电阻分压器连接这些引脚,则可以轻松放大输出。

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