柯林+章國(guó)豪+馮衛(wèi)峰

【摘 要】在復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境中，手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備在負(fù)載高駐波比的條件下，其相位的變化會(huì)嚴(yán)重影響功率檢測(cè)的精度。通過對(duì)功率檢測(cè)模型進(jìn)行理論分析，并利用仿真軟件ADS進(jìn)行仿真和分析，驗(yàn)證影響功率檢測(cè)精度的關(guān)鍵因素，為在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的功率檢測(cè)精度提供理論指導(dǎo)和實(shí)現(xiàn)方案。

【關(guān)鍵詞】功率放大器 功率檢測(cè) 定向耦合器

1 引言

隨著通信系統(tǒng)高速發(fā)展，智能設(shè)備集成度越來(lái)越高，便攜、智能、低耗成為持續(xù)發(fā)展追求的目標(biāo)。在多個(gè)通信系統(tǒng)并存的今天，通信設(shè)備往往需要同時(shí)支持GSM、EDGE、WCDMA和LTE等多個(gè)通信模式，多頻多模移動(dòng)終端設(shè)備的設(shè)計(jì)備受青睞。然而多頻多模的系統(tǒng)非常復(fù)雜，給功率放大器設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化，通常對(duì)耦合器與功率放大器進(jìn)行一體設(shè)計(jì)。輸出功率控制精度已有明確的規(guī)范，通常要求多頻多模手機(jī)具有超過40dB的動(dòng)態(tài)范圍以及±0.5dB的功率控制精度。

目前，手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的功率檢測(cè)和控制體系結(jié)構(gòu)包括直接檢測(cè)法、間接檢測(cè)法兩大類。間接功率檢測(cè)法不直接檢測(cè)射頻功率輸出，其電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可以為低成本和小尺寸的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供解決方案。但是間接功率檢測(cè)法不可預(yù)知天線的負(fù)載，這大大影響了檢測(cè)的精度。相反，直接功率檢測(cè)法可直接檢測(cè)射頻端口的功率輸出狀態(tài)，通常需要使用定向耦合器，增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和難度。耦合器可作為獨(dú)立元器件或者和功率放大器集成設(shè)計(jì)。直接功率檢測(cè)法可預(yù)知天線的負(fù)載，具有良好的功率精度控制，該方法近年已被廣泛地使用。

本文首先定義了一個(gè)常用的直接功率檢測(cè)模型，在理想定向耦合器與非理想耦合器情況下對(duì)該模型進(jìn)行理論分析；然后運(yùn)用ADS對(duì)模型進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的研究分析；最后，分析結(jié)果表明在負(fù)載失配的情況下，定向耦合器的方向性對(duì)功率檢測(cè)精度具有很大的影響。

2 功率檢測(cè)模型和理論分析

如圖1所示，利用定向耦合器進(jìn)行功率檢測(cè)。此模型適用于目前的GSM、EDGE、WCDMA和LTE等手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。端口1為功率放大器輸出，端口2為連接天線負(fù)載，端口3為功率檢測(cè)端口，端口4為隔離端。該四端口系統(tǒng)散射矩陣可表示為：

定向耦合器的方向性定義為：

在實(shí)際使用中，通常端口3與端口4認(rèn)為接50歐姆匹配負(fù)載，故該四端口散射矩陣公式（1）可簡(jiǎn)化為：

在一定假設(shè)條件下，基于圖1直接功率檢測(cè)法模型，分析其采用的是理想定向耦合器和非理想定向耦合器兩種情況下，負(fù)載變化對(duì)功率檢測(cè)端口的誤差變化的影響。

2.1 理想定向耦合器

假設(shè)定向耦合器為理想耦合器，其方向性無(wú)窮大，S32等于0，則公式（3）所表示的四端口矩陣可以簡(jiǎn)化為：

對(duì)公式（4）進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算，可得到功率檢測(cè)端口的正向電壓為：

其中，S31代表耦合度；S21代表耦合器插損；b2代表功放輸出電壓；b3代表檢測(cè)電壓。不同的負(fù)載引發(fā)不同的變量值：。假設(shè)駐波比相同，負(fù)載相位的變化會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)端口的電壓b3也發(fā)生變化。根據(jù)公式（5），b3的最大值、最小值可分別用公式（6）和公式（7）進(jìn)行計(jì)算：

2.2 非理想定向耦合器

定向耦合器非理想時(shí)，方向性不能為無(wú)限大，S32不等于0，此時(shí)圖1所示的直接功率檢測(cè)模型的四端口散射矩陣為公式（3）。通過對(duì)公式（3）進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算可得：

當(dāng)方向性D為恒定值時(shí)，不同的負(fù)載引發(fā)不同的變量值：。假設(shè)駐波比相同，負(fù)載相位的變化會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)端口的電壓b3也發(fā)生變化。根據(jù)公式（8），b3的最大值、最小值可分別用公式（9）和公式（10）進(jìn)行計(jì)算：

3 ADS建模仿真

基于圖1所示模型，在電磁仿真軟件ADS中構(gòu)建其對(duì)應(yīng)功率檢測(cè)電路，如圖2所示：

下面將詳細(xì)分析功率檢測(cè)端口電壓隨著不同的負(fù)載、耦合器的方向性和耦合器的插損的變化。

在GSM、WCDMA、LTE通信系統(tǒng)中，通常在駐波比為2.5時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證功率檢測(cè)的精度。假設(shè)定向耦合器為理想狀態(tài)，耦合度為-20dB，方向性無(wú)窮大，沒有插損，此時(shí)觀察端口3在全相位下的變化情況，結(jié)果如圖3所示：

從圖3可以觀察到：在理想狀態(tài)下，功率檢測(cè)變化量基本無(wú)變化。駐波比為2.5、耦合度為-20dB、方向性為20dB、插損為0.2dB時(shí)的仿真結(jié)果如圖4所示，功率檢測(cè)變化量高達(dá)0.733dB。

根據(jù)公式（8），可得出影響功率檢測(cè)變化的關(guān)鍵因素，這些關(guān)鍵因素包含方向性D、插損S21、駐波比及負(fù)載的相位變化。針對(duì)這些變化因素進(jìn)行不同的設(shè)定和仿真，ADS仿真結(jié)果匯總?cè)绫?所示。從表1可以觀察到：非理想定向耦合器的方向性的變化對(duì)功率檢測(cè)變化量的影響非常大。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例分析

為了驗(yàn)證功率檢測(cè)模型理論分析的準(zhǔn)確性，對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過程在負(fù)載端加載可變負(fù)載，設(shè)置在駐波比為2.5時(shí)，全相位下的功率檢測(cè)結(jié)果誤差。

圖5為WCDMA制式下功率放大器芯片中的耦合器設(shè)計(jì)，工作頻率范圍為2.3—2.62GHz，在HFSS仿真中，隔離度高達(dá)35dB，但是由于加工的誤差，實(shí)際情況下的射頻寄生參數(shù)影響及在調(diào)試過程中輸入負(fù)載端的影響，實(shí)測(cè)的隔離度為19～21dB。

在駐波比為2.5時(shí)，全相位下功率檢測(cè)端口實(shí)測(cè)的誤差變化情況如表2所示：

5 結(jié)論

在實(shí)際中，不同的使用環(huán)境會(huì)導(dǎo)致智能設(shè)備的天線端阻抗發(fā)生變化，進(jìn)而嚴(yán)重影響功率控制的精度。為了滿足嚴(yán)格的功率控制精度要求，應(yīng)盡可能地減少檢測(cè)誤差。從本文的研究可以看出，天線端駐波比的變化對(duì)檢測(cè)精度有很大的影響，因此在基站設(shè)計(jì)中，通常會(huì)在天線與放大器之間加有雙工器、隔離器、開關(guān)等，防止天線的阻抗發(fā)生畸變。但是在手機(jī)等小型設(shè)備中，放大器后面通常只有切換開關(guān)，此時(shí)定向耦合器的方向性顯得尤為重要，為滿足±0.5dB的功率控制精度，一般定向耦合器的方向性要求達(dá)到17dB以上。

參考文獻(xiàn)：

[1] Xiaofang Mu， Ziv Alon. Analysis of Output Power Variation under Mismatched Load in Power Amplifier FEM with Directional Coupler[J]. IEEE Microwave Symposium Digest， 2009（12）： 549-551.

[2] D M Pozar. Microwave Engineering[M]. New York： John Wiley & Sons， 1998.

[3] Byul Hur， Member. Tunable Broadband MMIC Active Directional Coupler[J]. IEEE Microwave Theory and Techniques， 2013，61（1）： 168-176.

[4] Jelena Madic， Pave1 Bretchko. Accurate Power Control Technique for Handset PA Modules with Integrated Directional Couplers[J]. IEEE Microwave Symposium Digest， 2003（1）： 201-204.

[5] Xiaofang Mu， Weimin Sun. Minimizing Radiated Power Variation in Power Amplifier FEMs with Directional Couplers[J]. IEEE Signals Systems and Electronics， 2010（1）： 1-3.★endprint

【摘 要】在復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境中，手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備在負(fù)載高駐波比的條件下，其相位的變化會(huì)嚴(yán)重影響功率檢測(cè)的精度。通過對(duì)功率檢測(cè)模型進(jìn)行理論分析，并利用仿真軟件ADS進(jìn)行仿真和分析，驗(yàn)證影響功率檢測(cè)精度的關(guān)鍵因素，為在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的功率檢測(cè)精度提供理論指導(dǎo)和實(shí)現(xiàn)方案。

【關(guān)鍵詞】功率放大器 功率檢測(cè) 定向耦合器

1 引言

隨著通信系統(tǒng)高速發(fā)展，智能設(shè)備集成度越來(lái)越高，便攜、智能、低耗成為持續(xù)發(fā)展追求的目標(biāo)。在多個(gè)通信系統(tǒng)并存的今天，通信設(shè)備往往需要同時(shí)支持GSM、EDGE、WCDMA和LTE等多個(gè)通信模式，多頻多模移動(dòng)終端設(shè)備的設(shè)計(jì)備受青睞。然而多頻多模的系統(tǒng)非常復(fù)雜，給功率放大器設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化，通常對(duì)耦合器與功率放大器進(jìn)行一體設(shè)計(jì)。輸出功率控制精度已有明確的規(guī)范，通常要求多頻多模手機(jī)具有超過40dB的動(dòng)態(tài)范圍以及±0.5dB的功率控制精度。

目前，手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的功率檢測(cè)和控制體系結(jié)構(gòu)包括直接檢測(cè)法、間接檢測(cè)法兩大類。間接功率檢測(cè)法不直接檢測(cè)射頻功率輸出，其電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可以為低成本和小尺寸的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供解決方案。但是間接功率檢測(cè)法不可預(yù)知天線的負(fù)載，這大大影響了檢測(cè)的精度。相反，直接功率檢測(cè)法可直接檢測(cè)射頻端口的功率輸出狀態(tài)，通常需要使用定向耦合器，增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和難度。耦合器可作為獨(dú)立元器件或者和功率放大器集成設(shè)計(jì)。直接功率檢測(cè)法可預(yù)知天線的負(fù)載，具有良好的功率精度控制，該方法近年已被廣泛地使用。

本文首先定義了一個(gè)常用的直接功率檢測(cè)模型，在理想定向耦合器與非理想耦合器情況下對(duì)該模型進(jìn)行理論分析；然后運(yùn)用ADS對(duì)模型進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的研究分析；最后，分析結(jié)果表明在負(fù)載失配的情況下，定向耦合器的方向性對(duì)功率檢測(cè)精度具有很大的影響。

2 功率檢測(cè)模型和理論分析

如圖1所示，利用定向耦合器進(jìn)行功率檢測(cè)。此模型適用于目前的GSM、EDGE、WCDMA和LTE等手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。端口1為功率放大器輸出，端口2為連接天線負(fù)載，端口3為功率檢測(cè)端口，端口4為隔離端。該四端口系統(tǒng)散射矩陣可表示為：

定向耦合器的方向性定義為：

在實(shí)際使用中，通常端口3與端口4認(rèn)為接50歐姆匹配負(fù)載，故該四端口散射矩陣公式（1）可簡(jiǎn)化為：

在一定假設(shè)條件下，基于圖1直接功率檢測(cè)法模型，分析其采用的是理想定向耦合器和非理想定向耦合器兩種情況下，負(fù)載變化對(duì)功率檢測(cè)端口的誤差變化的影響。

2.1 理想定向耦合器

假設(shè)定向耦合器為理想耦合器，其方向性無(wú)窮大，S32等于0，則公式（3）所表示的四端口矩陣可以簡(jiǎn)化為：

對(duì)公式（4）進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算，可得到功率檢測(cè)端口的正向電壓為：

其中，S31代表耦合度；S21代表耦合器插損；b2代表功放輸出電壓；b3代表檢測(cè)電壓。不同的負(fù)載引發(fā)不同的變量值：。假設(shè)駐波比相同，負(fù)載相位的變化會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)端口的電壓b3也發(fā)生變化。根據(jù)公式（5），b3的最大值、最小值可分別用公式（6）和公式（7）進(jìn)行計(jì)算：

2.2 非理想定向耦合器

定向耦合器非理想時(shí)，方向性不能為無(wú)限大，S32不等于0，此時(shí)圖1所示的直接功率檢測(cè)模型的四端口散射矩陣為公式（3）。通過對(duì)公式（3）進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算可得：

當(dāng)方向性D為恒定值時(shí)，不同的負(fù)載引發(fā)不同的變量值：。假設(shè)駐波比相同，負(fù)載相位的變化會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)端口的電壓b3也發(fā)生變化。根據(jù)公式（8），b3的最大值、最小值可分別用公式（9）和公式（10）進(jìn)行計(jì)算：

3 ADS建模仿真

基于圖1所示模型，在電磁仿真軟件ADS中構(gòu)建其對(duì)應(yīng)功率檢測(cè)電路，如圖2所示：

下面將詳細(xì)分析功率檢測(cè)端口電壓隨著不同的負(fù)載、耦合器的方向性和耦合器的插損的變化。

在GSM、WCDMA、LTE通信系統(tǒng)中，通常在駐波比為2.5時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證功率檢測(cè)的精度。假設(shè)定向耦合器為理想狀態(tài)，耦合度為-20dB，方向性無(wú)窮大，沒有插損，此時(shí)觀察端口3在全相位下的變化情況，結(jié)果如圖3所示：

從圖3可以觀察到：在理想狀態(tài)下，功率檢測(cè)變化量基本無(wú)變化。駐波比為2.5、耦合度為-20dB、方向性為20dB、插損為0.2dB時(shí)的仿真結(jié)果如圖4所示，功率檢測(cè)變化量高達(dá)0.733dB。

根據(jù)公式（8），可得出影響功率檢測(cè)變化的關(guān)鍵因素，這些關(guān)鍵因素包含方向性D、插損S21、駐波比及負(fù)載的相位變化。針對(duì)這些變化因素進(jìn)行不同的設(shè)定和仿真，ADS仿真結(jié)果匯總?cè)绫?所示。從表1可以觀察到：非理想定向耦合器的方向性的變化對(duì)功率檢測(cè)變化量的影響非常大。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例分析

為了驗(yàn)證功率檢測(cè)模型理論分析的準(zhǔn)確性，對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過程在負(fù)載端加載可變負(fù)載，設(shè)置在駐波比為2.5時(shí)，全相位下的功率檢測(cè)結(jié)果誤差。

圖5為WCDMA制式下功率放大器芯片中的耦合器設(shè)計(jì)，工作頻率范圍為2.3—2.62GHz，在HFSS仿真中，隔離度高達(dá)35dB，但是由于加工的誤差，實(shí)際情況下的射頻寄生參數(shù)影響及在調(diào)試過程中輸入負(fù)載端的影響，實(shí)測(cè)的隔離度為19～21dB。

在駐波比為2.5時(shí)，全相位下功率檢測(cè)端口實(shí)測(cè)的誤差變化情況如表2所示：

5 結(jié)論

在實(shí)際中，不同的使用環(huán)境會(huì)導(dǎo)致智能設(shè)備的天線端阻抗發(fā)生變化，進(jìn)而嚴(yán)重影響功率控制的精度。為了滿足嚴(yán)格的功率控制精度要求，應(yīng)盡可能地減少檢測(cè)誤差。從本文的研究可以看出，天線端駐波比的變化對(duì)檢測(cè)精度有很大的影響，因此在基站設(shè)計(jì)中，通常會(huì)在天線與放大器之間加有雙工器、隔離器、開關(guān)等，防止天線的阻抗發(fā)生畸變。但是在手機(jī)等小型設(shè)備中，放大器后面通常只有切換開關(guān)，此時(shí)定向耦合器的方向性顯得尤為重要，為滿足±0.5dB的功率控制精度，一般定向耦合器的方向性要求達(dá)到17dB以上。

參考文獻(xiàn)：

[1] Xiaofang Mu， Ziv Alon. Analysis of Output Power Variation under Mismatched Load in Power Amplifier FEM with Directional Coupler[J]. IEEE Microwave Symposium Digest， 2009（12）： 549-551.

[2] D M Pozar. Microwave Engineering[M]. New York： John Wiley & Sons， 1998.

[3] Byul Hur， Member. Tunable Broadband MMIC Active Directional Coupler[J]. IEEE Microwave Theory and Techniques， 2013，61（1）： 168-176.

[4] Jelena Madic， Pave1 Bretchko. Accurate Power Control Technique for Handset PA Modules with Integrated Directional Couplers[J]. IEEE Microwave Symposium Digest， 2003（1）： 201-204.

[5] Xiaofang Mu， Weimin Sun. Minimizing Radiated Power Variation in Power Amplifier FEMs with Directional Couplers[J]. IEEE Signals Systems and Electronics， 2010（1）： 1-3.★endprint

【摘 要】在復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境中，手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備在負(fù)載高駐波比的條件下，其相位的變化會(huì)嚴(yán)重影響功率檢測(cè)的精度。通過對(duì)功率檢測(cè)模型進(jìn)行理論分析，并利用仿真軟件ADS進(jìn)行仿真和分析，驗(yàn)證影響功率檢測(cè)精度的關(guān)鍵因素，為在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的功率檢測(cè)精度提供理論指導(dǎo)和實(shí)現(xiàn)方案。

【關(guān)鍵詞】功率放大器 功率檢測(cè) 定向耦合器

1 引言

隨著通信系統(tǒng)高速發(fā)展，智能設(shè)備集成度越來(lái)越高，便攜、智能、低耗成為持續(xù)發(fā)展追求的目標(biāo)。在多個(gè)通信系統(tǒng)并存的今天，通信設(shè)備往往需要同時(shí)支持GSM、EDGE、WCDMA和LTE等多個(gè)通信模式，多頻多模移動(dòng)終端設(shè)備的設(shè)計(jì)備受青睞。然而多頻多模的系統(tǒng)非常復(fù)雜，給功率放大器設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化，通常對(duì)耦合器與功率放大器進(jìn)行一體設(shè)計(jì)。輸出功率控制精度已有明確的規(guī)范，通常要求多頻多模手機(jī)具有超過40dB的動(dòng)態(tài)范圍以及±0.5dB的功率控制精度。

目前，手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的功率檢測(cè)和控制體系結(jié)構(gòu)包括直接檢測(cè)法、間接檢測(cè)法兩大類。間接功率檢測(cè)法不直接檢測(cè)射頻功率輸出，其電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可以為低成本和小尺寸的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供解決方案。但是間接功率檢測(cè)法不可預(yù)知天線的負(fù)載，這大大影響了檢測(cè)的精度。相反，直接功率檢測(cè)法可直接檢測(cè)射頻端口的功率輸出狀態(tài)，通常需要使用定向耦合器，增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和難度。耦合器可作為獨(dú)立元器件或者和功率放大器集成設(shè)計(jì)。直接功率檢測(cè)法可預(yù)知天線的負(fù)載，具有良好的功率精度控制，該方法近年已被廣泛地使用。

本文首先定義了一個(gè)常用的直接功率檢測(cè)模型，在理想定向耦合器與非理想耦合器情況下對(duì)該模型進(jìn)行理論分析；然后運(yùn)用ADS對(duì)模型進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的研究分析；最后，分析結(jié)果表明在負(fù)載失配的情況下，定向耦合器的方向性對(duì)功率檢測(cè)精度具有很大的影響。

2 功率檢測(cè)模型和理論分析

如圖1所示，利用定向耦合器進(jìn)行功率檢測(cè)。此模型適用于目前的GSM、EDGE、WCDMA和LTE等手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。端口1為功率放大器輸出，端口2為連接天線負(fù)載，端口3為功率檢測(cè)端口，端口4為隔離端。該四端口系統(tǒng)散射矩陣可表示為：

定向耦合器的方向性定義為：

在實(shí)際使用中，通常端口3與端口4認(rèn)為接50歐姆匹配負(fù)載，故該四端口散射矩陣公式（1）可簡(jiǎn)化為：

在一定假設(shè)條件下，基于圖1直接功率檢測(cè)法模型，分析其采用的是理想定向耦合器和非理想定向耦合器兩種情況下，負(fù)載變化對(duì)功率檢測(cè)端口的誤差變化的影響。

2.1 理想定向耦合器

假設(shè)定向耦合器為理想耦合器，其方向性無(wú)窮大，S32等于0，則公式（3）所表示的四端口矩陣可以簡(jiǎn)化為：

對(duì)公式（4）進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算，可得到功率檢測(cè)端口的正向電壓為：

其中，S31代表耦合度；S21代表耦合器插損；b2代表功放輸出電壓；b3代表檢測(cè)電壓。不同的負(fù)載引發(fā)不同的變量值：。假設(shè)駐波比相同，負(fù)載相位的變化會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)端口的電壓b3也發(fā)生變化。根據(jù)公式（5），b3的最大值、最小值可分別用公式（6）和公式（7）進(jìn)行計(jì)算：

2.2 非理想定向耦合器

定向耦合器非理想時(shí)，方向性不能為無(wú)限大，S32不等于0，此時(shí)圖1所示的直接功率檢測(cè)模型的四端口散射矩陣為公式（3）。通過對(duì)公式（3）進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算可得：

當(dāng)方向性D為恒定值時(shí)，不同的負(fù)載引發(fā)不同的變量值：。假設(shè)駐波比相同，負(fù)載相位的變化會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)端口的電壓b3也發(fā)生變化。根據(jù)公式（8），b3的最大值、最小值可分別用公式（9）和公式（10）進(jìn)行計(jì)算：

3 ADS建模仿真

基于圖1所示模型，在電磁仿真軟件ADS中構(gòu)建其對(duì)應(yīng)功率檢測(cè)電路，如圖2所示：

下面將詳細(xì)分析功率檢測(cè)端口電壓隨著不同的負(fù)載、耦合器的方向性和耦合器的插損的變化。

在GSM、WCDMA、LTE通信系統(tǒng)中，通常在駐波比為2.5時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證功率檢測(cè)的精度。假設(shè)定向耦合器為理想狀態(tài)，耦合度為-20dB，方向性無(wú)窮大，沒有插損，此時(shí)觀察端口3在全相位下的變化情況，結(jié)果如圖3所示：

從圖3可以觀察到：在理想狀態(tài)下，功率檢測(cè)變化量基本無(wú)變化。駐波比為2.5、耦合度為-20dB、方向性為20dB、插損為0.2dB時(shí)的仿真結(jié)果如圖4所示，功率檢測(cè)變化量高達(dá)0.733dB。

根據(jù)公式（8），可得出影響功率檢測(cè)變化的關(guān)鍵因素，這些關(guān)鍵因素包含方向性D、插損S21、駐波比及負(fù)載的相位變化。針對(duì)這些變化因素進(jìn)行不同的設(shè)定和仿真，ADS仿真結(jié)果匯總?cè)绫?所示。從表1可以觀察到：非理想定向耦合器的方向性的變化對(duì)功率檢測(cè)變化量的影響非常大。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例分析

為了驗(yàn)證功率檢測(cè)模型理論分析的準(zhǔn)確性，對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過程在負(fù)載端加載可變負(fù)載，設(shè)置在駐波比為2.5時(shí)，全相位下的功率檢測(cè)結(jié)果誤差。

圖5為WCDMA制式下功率放大器芯片中的耦合器設(shè)計(jì)，工作頻率范圍為2.3—2.62GHz，在HFSS仿真中，隔離度高達(dá)35dB，但是由于加工的誤差，實(shí)際情況下的射頻寄生參數(shù)影響及在調(diào)試過程中輸入負(fù)載端的影響，實(shí)測(cè)的隔離度為19～21dB。

在駐波比為2.5時(shí)，全相位下功率檢測(cè)端口實(shí)測(cè)的誤差變化情況如表2所示：

5 結(jié)論

在實(shí)際中，不同的使用環(huán)境會(huì)導(dǎo)致智能設(shè)備的天線端阻抗發(fā)生變化，進(jìn)而嚴(yán)重影響功率控制的精度。為了滿足嚴(yán)格的功率控制精度要求，應(yīng)盡可能地減少檢測(cè)誤差。從本文的研究可以看出，天線端駐波比的變化對(duì)檢測(cè)精度有很大的影響，因此在基站設(shè)計(jì)中，通常會(huì)在天線與放大器之間加有雙工器、隔離器、開關(guān)等，防止天線的阻抗發(fā)生畸變。但是在手機(jī)等小型設(shè)備中，放大器后面通常只有切換開關(guān)，此時(shí)定向耦合器的方向性顯得尤為重要，為滿足±0.5dB的功率控制精度，一般定向耦合器的方向性要求達(dá)到17dB以上。

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