CDMA2000 和 W-CDMA 基站中使用的高功率放大器 （HPA） 設計人員在實現精確的發射功率測量方面遇到了許多挑戰。復雜性包括高峰均比、隨基站呼叫負載變化的峰均比、較大的工作溫度范圍和較大的發射功率范圍。利用精確的RMS輸出功率測量，HPA制造商可以降低他們設計的最大功率。本文介紹了幾種在整個溫度范圍內精確測量和控制RMS功率的方法。

CDMA2000和W-CDMA等復雜調制方案具有較大的峰均比。對于給定的最大平均輸出功率要求，由于基站頻譜模板和EVM要求，隨著峰均值的增加，設計的最大功率要求通常會增加（或線性化要求增加）。如果調制信號的峰值被削波，三階失真將會增加，導致基站無法滿足其頻譜模板要求。削波調制信號的峰值也可能導致數據丟失，使系統無法滿足其EVM要求。根據峰值功率傳輸要求設計HPA是昂貴的，但卻是必要的。增加的費用是由于電氣元件的成本增加和HPA效率的降低。始終存在與HPA功率設計的最大功率相關的$/W，并且將HPA運行在其飽和點以下是低效的。效率的降低會增加HPA模塊的成本，因為它會增加用于散熱的機械結構的成本，尺寸和重量，降低HPA的可靠性并增加其運營成本。

降低HPA的最大設計功率對HPA制造商來說很重要。HPA的飽和點越接近其平均功率，HPA的效率和成本效益就越高。有許多技術用于使HPA的飽和點盡可能接近平均發射功率，但這些技術都受到系統測量輸出功率能力的限制。HPA的最大設計功率需要通過RF功率測量容差（包括隨溫度的變化和峰均比）來增加，以確保頻譜模板和EVM合規性。這使得射頻功率測量系統的精度對于降低HPA的成本和效率至關重要。

CDMA2000和W-CDMA調制方案不僅具有較大的峰均值，而且峰均值隨特定基站的呼叫量而變化。例如，在CDMA2000 IS-95A中，前向鏈路波峰因數僅為導頻的6.6 dB，12個通道為64 dB（不使用CF減少技術）。較大的峰均值會導致非RMS響應RF功率檢波器出現誤差。如果調制方案的大峰均比保持不變，則可以在生產中校準出來，但基于用戶數量的峰均比變化更難處理。這需要跟蹤系統上有多少用戶，嚴格控制正在使用哪些Walsh代碼，以及一個非常大的查找表，以便知道特定時間信號的峰均比。更好的選擇是使用 RMS 響應檢測器。與二極管檢波器或對數放大器不同，RMS響應檢波器在很大程度上不受波峰因數變化的影響。圖1顯示了高性能對數放大器（AD8318）與RMS響應檢波器（AD8364）的誤差，這是CDMA2000 IS-95A基站TX部分波峰因數變化（用戶負載）的結果。請注意，AD8318的輸出在CW和3通道CDMA5 IS-86A之間變化64.2000 dB（或95 mV），在僅導頻和2通道CDMA4 IS-64A之間變化2000.95 dB，而AD8364的輸出僅變化0.1 dB（或5 mV）。二極管檢波器的行為類似于對數放大器，其輸出電壓隨檢測信號的波峰因數而變化。如果該系統中使用對數放大器進行功率檢測，則需要通過信號處理消除檢測到的功率的2.4 dB變化，或將其添加到HPA中設計的最大功率值。

圖 1：RMS 響應 RF 檢波器 （AD8364） 與非 RMS 響應 RF 檢波器的誤差顯示了峰均比對功率檢測的影響。非RMS響應RF檢波器（AD8318）因其輸入信號的峰均比變化而表現出顯著的測量誤差，而RMS響應RF檢波器（AD8364）在很大程度上不受峰均比變化的影響。

RMS響應RF檢波器（AD8364）與非RMS響應RF檢波器的誤差顯示了峰均比對功率檢測的影響。非RMS響應RF檢波器（AD8318）因其輸入信號的峰均比變化而表現出顯著的測量誤差，而RMS響應RF檢波器（AD8364）在很大程度上不受峰均比變化的影響。

能夠準確測量HPA工作溫度范圍內的RMS功率對于確定HPA的最大設計功率也至關重要。這種測量的精度（或缺乏）需要直接添加到設計的最大功率中，除非在整個溫度范圍內執行困難且昂貴的校準過程。與HPA輸出功率檢測有關的所有組件（例如定向耦合器、衰減器等）都會隨溫度增加誤差，但大多數組件在HPA的工作溫度下變化很小。通常，測量HPA輸出功率隨溫度變化的精度與探測器的溫度性能直接相關。近年來，RF檢測技術在創建在整個溫度范圍內具有非常穩定的響應（在–5°C至+ 40°C范圍內優于±.85dB）的器件方面取得了長足的進步。圖2顯示了雙通道RMS響應功率檢波器AD8364的溫度性能。該數據是在+25°C（黑色）、–40°C（藍色）和+85°C（紅色）@ 450 MHz下拍攝的。它包括來自多個生產批次的至少 30 個器件的電壓和溫度誤差（環境校準后）與輸入功率的關系。每個部件的行為隨溫度變化略有不同。

圖 2：當溫度從 –8364°C 循環到 +450°C 時，ADI AD40 輸出電壓和對數一致性誤差與引腳 （@ 85 MHz） 的變化很小。 對于來自不同生產批次的 30 個器件來說，情況仍然如此，即使性能隨溫度略有不同。

當溫度從–8364°C循環到+450°C時，ADI公司的AD40輸出電壓和對數一致性誤差相對于引腳（@ 85 MHz）的變化很小。 對于來自不同生產批次的 30 個器件來說，情況仍然如此，即使性能隨溫度略有不同。

不僅必須準確測量HPA的最大輸出功率，而且還需要測量HPA整個發射功率范圍內的輸出功率，盡管較低功率水平下的精度有時并不那么重要。但是，在大動態范圍內測量的精度與檢波器和ADC分辨率有關。圖3顯示了兩個RMS響應檢波器AD8364和ADL5500的輸出。ADL5500與輸入RF信號的均方根電壓呈線性關系，AD8364與輸入RF信號的均方根功率（dB）呈線性關系。根據對較低功率水平下的動態范圍和精度的要求，ADL5500使用的ADC所需的分辨率可能遠高于AD8364。系統要求將決定哪種檢波器/ADC將根據較低功率水平下的精度和動態范圍要求提供最具成本效益和最容易實現的解決方案。

圖 3：將輸出與輸入 RMS 功率（以 dBm 為單位）成線性的檢波器（ADI AD8364）與輸出與輸入 RMS 伏特呈線性關系的檢波器（ADI ADL5500）進行比較，可以看出動態范圍的差異，并強調了選擇具有適當分辨率的 ADC 的必要性。

將輸出與輸入RMS功率（以dBm為單位）成線性的檢波器（ADI公司AD8364）與輸出與輸入RMS電壓成線性關系的檢波器（ADI公司ADL5500）進行比較，可以發現動態范圍的差異，并強調選擇具有適當分辨率的ADC的必要性。

在某些情況下，使用模擬反饋環路精確控制系統的功率或增益可以提高性能并取代簡單的功率檢測。目前提供的許多檢測器除了檢測功率外，還可以使用模擬反饋環路（即控制器模式下使用的檢測器）來控制功率。如果在控制器模式下使用RMS響應檢測器，則可以非常準確地設置功率與輸入功率、溫度和波峰因數的關系。該功率可以非常精確地設置，并且可以使用由ADC控制的模擬電壓來改變其電平。在控制器模式下使用功率檢測器來精確控制HPA的輸入或輸出功率將是一個理想的應用，因為它將消除檢測輸入或輸出功率的需要。在控制器模式下，檢波器確定其輸入端的功率并調整VGA（或可變衰減器），直到檢測到的功率與功率控制輸入電壓設置的功率一致。圖4所示為在控制器模式下用于控制輸出功率的RMS響應檢波器（AD8364）的基本原理圖。圖5顯示了當VGA由AD8364（雙RMS響應對數檢波器）的一側控制時，整體電路性能與輸入功率和溫度的關系。請注意，只要AD8364的功率電平設置正確，就可以在VGA和耦合器之間放置HPA，如果控制電壓設置正確，則可以使用任何VGA（或可變衰減器） 輸入功率范圍將接近檢波器的可檢測功率范圍（60 dB， 在AD8364的情況下）。

圖 4：在控制器模式下，檢波器確定其輸入端的功率并調整 VGA（或可變衰減器），直到檢測到的功率與功率控制輸入電壓 （VSTA） 設置的水平一致。

圖 5：當ADI公司AD8364雙通道RMS響應檢波器的一側用于控制系統功率時，檢波器輸入端（和Pout處）的功率與輸入功率和溫度（小于±.1 dB）保持恒定。

在控制器模式下，檢波器確定其輸入端的功率并調整VGA（或可變衰減器），直到檢測到的功率與功率控制輸入電壓（VSTA）設定的水平一致。

當ADI公司AD8364雙通道RMS響應檢波器的一側用于控制系統功率時，檢波器輸入端（和Pout端）的功率與輸入功率和溫度（小于±.1 dB）保持恒定。

在控制器模式下工作的雙RMS響應檢測器也可用于非常精確地控制HPA的增益與輸入功率、溫度和波峰因數的關系。如果HPA模塊的增益在輸入功率、溫度和波峰因數上得到足夠精確的控制，則不必報告HPA模塊的輸出功率，但與饋送功率直接相關。如果雙路檢波器的兩個輸入都置于控制器模式，則檢波器確定每個輸入端的功率并調整VGA的增益，直到檢測到一個輸入端的功率等于另一個輸入端的功率。圖6顯示了用于控制系統增益的AD8364（雙RMS檢波器）的基本原理圖。圖 7 顯示了此設置的性能。需要精確控制的所有內容都應包含在兩個耦合器之間。請注意，可以使用VGA、可變衰減器甚至HPA的偏置來控制增益。如果檢測器和VGA之間的控制電平設置正確，功率電平設計正確，則可用輸入功率范圍將接近檢波器的可檢測功率范圍（AD60為8364 dB）。

圖 6：當雙路檢波器的兩個輸入都用于控制器模式時，檢波器將控制 VGA（或 VVA 等），以均衡它在兩個 RF 輸入端檢測到的功率。系統的增益將由用于設置雙檢波器檢測到的功率的耦合器和衰減器決定。

圖 7：當ADI公司的雙通道RMS檢波器（AD8364）的兩個輸入都置于控制器模式時，增益相對于溫度和輸入功率的控制優于±.15 dB，動態范圍幾乎等于RMS檢波器的動態范圍。

當雙檢波器的兩個輸入都用于控制器模式時，檢波器將控制VGA（或VVA等），以均衡其在兩個RF輸入端檢測到的功率。系統的增益將由用于設置雙檢波器檢測到的功率的耦合器和衰減器決定。

當ADI公司的雙RMS檢波器（AD8364）的兩個輸入都置于控制器模式時，增益相對于溫度和輸入功率的控制優于±.15 dB，動態范圍幾乎等于RMS檢波器的動態范圍。

CDMA2000和W-CDMA系統中使用的HPA的RF功率檢測相關的許多挑戰都可以使用RMS響應RF檢波器來解決。由于峰值與平均值隨基站負載、較大的工作溫度范圍和較大的發射功率范圍而變化，因此檢測到的功率變化現在可以管理。現在有了新的方法來控制功率和增益，足夠精確，無需檢測功率。所有這些都使HPA制造商能夠降低成本，提高其HPA的可靠性。

審核編輯：郭婷