CN113640576A - 射频功率检测电路及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种射频功率检测电路及电子设备，涉及射频电路设计技术领域。射频功率检测电路的差分输入端可以与功率放大器差分输出端直接连接，能够直接、准确检测功率放大器的输出功率，减少了负载平衡性及阻抗变化对功率检测精度的影响；第一平方律运算电路和第二平方律运算电路的输出信号通过第一加法运算电路相加，抵消了输出信号中的奇次谐波，降低了低通滤波电路的面积，提升了功率检测输出的精度，运算放大模块和指数运算模块构成了电流反馈环路，实现了高精度的对数运算，使输出电压与输入功率的均方根值呈对数线性关系，实现了高动态范围的功率检测，同时利用直流放大模块能够有效提升输出电压的范围。

Description

射频功率检测电路及电子设备

技术领域

本发明涉及射频电路设计技术领域，具体而言，涉及一种射频功率检测电路及电子设备。

背景技术

在毫米波卫星通信、5G通信等应用场景中，由于自由空间损耗、雨衰、大气衰减大，通常需要采用大规模相控阵等技术提高发射阵列的等效全向辐射功率。大规模相控阵列中，受到工艺偏差、温度变化、电源压降、复杂电磁环境等因素的影响，不同通道的射频性能存在一定偏差，阵面性能也因此恶化。为了实时检测通道工作状态并进行相应补偿，需要在相控阵芯片中集成低成本、低功耗、高精度的功率检测模块。

现有功率检测模块通常针对较低频段应用设计，应用在毫米波大规模相控阵列中时，存在以下问题：现有功率检测模块通常为单端输入设计，而毫米波频段寄生参数影响较大，射频信号的基波及谐波通过寄生电容耦合至电源网络及输出信号，影响其他电路模块正常工作，同时降低了功率检测精度；现有功率检测模块通常输出电压与输入共率呈线性关系，难以实现高动态范围、高精度的功率检测。

发明内容

本发明的目的包括，例如，提供了一种射频功率检测电路及电子设备，以实现高动态范围、高精度的功率检测。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种射频功率检测电路，所述射频功率检测电路包括差分输入端、第一线性功率检测子模块、第二线性功率检测子模块、运算放大模块、直流放大模块、指数运算模块及电路输出端；

所述第一线性功率检测子模块的第一输入端、第二输入端与所述差分输入端连接，所述第一线性功率检测子模块的电压输出端与所述运算放大模块的反相输入端连接，用于产生以预设加权比例正比于输入信号瞬时功率及反馈电流的输出电压；

所述第二线性功率检测子模块的第一输入端、第二输入端短接，所述第二线性功率检测子模块的电压输出端与所述运算放大模块的同相输入端连接，所述第二线性功率检测子模块用于产生零输入功率和零反馈情况下的输出参考电压；

所述运算放大模块的输出端通过指数运算模块与所述第一线性功率检测子模块的第三输入端连接；

所述运算放大模块的输出端还通过所述直流放大模块与所述电路输出端连接，用于提升电路输出端的输出电压范围。

在可选的实施方式中，其中，所述第一线性功率检测子电路包括：

第一输入端、第一平方律运算电路、第二输入端、第二平方律运算电路、第三输入端、比例运算电路、第一加法运算电路、低通滤波电路、第二加法运算电路以及所述电压输出端；

所述第一平方律运算电路与所述第一输入端连接，所述第二平方律运算电路与所述第二输入端连接，所述第一平方律运算电路和所述第二平方律运算电路分别与第一加法运算电路的输入端连接，所述第一加法运算电路的输出端与所述低通滤波电路的输入端连接；

所述比例运算电路与所述第三输入端连接，所述低通滤波电路的输出端与所述比例运算电路的输出端分别与所述第二加法运算电路的输入端连接，所述第二加法运算电路的输出端与所述电压输出端连接。

在可选的实施方式中，所述第二线性功率检测子模块的结构、尺寸与布局与所述第一线性功率检测子模块相同。

在可选的实施方式中，所述第一平方律运算电路的输出信号和输入信号呈平方律关系。

在可选的实施方式中，所述第二平方律运算电路的结构、尺寸、布局与所述第一平方律运算电路相同。

在可选的实施方式中，所述第一平方律运算电路和所述第二平方律运算电路均包括工作在饱和区的差分共源场效应型晶体管放大器，两侧晶体管的漏极相连。

在可选的实施方式中，所述指数运算模块包括；

与输入端连接的共漏场效应型晶体管，用于位移直流电平，使后级晶体管工作在相应工作区；

与所述共漏场效应型晶体管连接的共源场效应型晶体管，其工作在亚阈值区，输出信号和输入信号呈指数关系；

与所述共源场效应型晶体管连接的电流镜电路，用于缓冲输出电流。

在可选的实施方式中，所述直流放大模块包括同相放大电路。

在可选的实施方式中，所述第二线性功率检测子模块的第三输入端开路。

第二方面，本发明提供一种电子设备，所述电子设备包括如前述实施方式任意一项所述的射频功率检测电路。

相对于现有技术，本发明实施例提供的方案至少具有以下有益效果包括，例如：

本发明提供的射频功率检测电路及电子设备，差分输入端可以与功率放大器差分输出端直接连接，能够直接、准确检测功率放大器的输出功率，减少了负载平衡性及阻抗变化对功率检测精度的影响；第一平方律运算电路和第二平方律运算电路的输出信号通过第一加法运算电路相加，抵消了输出信号中的奇次谐波，降低了低通滤波电路的面积，提升了功率检测输出的精度，运算放大模块和指数运算模块构成了电流反馈环路，实现了高精度的对数运算，使输出电压与输入功率的均方根值呈对数线性关系，实现了高动态范围的功率检测，同时利用直流放大模块能够有效提升输出电压的范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请提供的射频功率检测电路的示意图；

图2为本申请提供的第一线性功率检测模块的示意图；

图3为本申请提供的射频功率检测电路的电路示意图；

图4为本申请提供的射频功率检测电路的效果示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

在毫米波卫星通信、5G通信等应用场景中，由于自由空间损耗、雨衰、大气衰减大，通常需要采用大规模相控阵等技术提高发射阵列的等效全向辐射功率。大规模相控阵列中，受到工艺偏差、温度变化、电源压降、复杂电磁环境等因素的影响，不同通道的射频性能存在一定偏差，阵面性能也因此恶化。为了实时检测通道工作状态并进行相应补偿，需要在相控阵芯片中集成低成本、低功耗、高精度的功率检测模块。现有功率检测模块通常针对较低频段应用设计，应用在毫米波大规模相控阵列中时，存在以下问题：现有功率检测模块通常为单端输入设计，而毫米波频段寄生参数影响较大，射频信号的基波及谐波通过寄生电容耦合至电源网络及输出信号，影响其他电路模块正常工作，同时降低了功率检测精度；现有功率检测模块通常输出电压与输入共率呈线性关系，难以实现高动态范围、高精度的功率检测。

为了改善上述问题，本申请提供了一种射频功率检测电路，以实现高动态范围、高精度的功率检测。

请参阅图1，图1示出了本申请提供的射频功率检测电路100的示意图。如图1所示，射频功率检测电路包括差分输入端IN、第一线性功率检测子模块110、第二线性功率检测子模块120、运算放大模块130、直流放大模块150、指数运算模块140及电路输出端OUT。

第一线性功率检测子模块110包括第一输入端1、第二输入端2、第三输入端3及电压输出端4。其中，第一输入端1、第二输入端2分别与差分输入端IN连接，其中第一输入端1与第一差分端口IN1连接，第二输入端2与第二差分端口IN2连接。第一线性功率检测子模块110用于产生以预设加权比例正比于输入信号瞬时功率及反馈电流的输出电压。

第二线性功率检测子模块120包括第一输入端1、第二输入端2、第三输入端及电压输出端4，第二线性功率检测子模块的第一输入端1、第二输入端2短接，第三输入端3开路，第二线性功率检测子模块用于产生零输入功率和零反馈情况下的输出参考电压。

运算放大模块130包括同相输入端、反相输入端，第一线性功率检测子模块110的电压输出端4与运算放大模块130的反相输入端连接，第二线性功率检测子模块120的电压输出端4与运算放大模块130的同相输入端连接。

运算放大模块130的输出端通过指数运算模块140与第一线性功率检测子模块110的第三输入端3连接，构成电流反馈环路，实现了高精度的对数运算，使输出电压与输入功率的均方根值呈对数线性关系，实现了高动态范围的功率检测。

运算放大模块130的输出端还通过直流放大模块150与电路输出端OUT连接，用于提升电路输出端OUT的输出电压范围。

本发明提供的射频功率检测电路100其运算放大模块130和指数运算模块140构成了电流反馈环路，实现了高精度的对数运算，使输出电压与输入功率的均方根值呈对数线性关系，实现了高动态范围的功率检测，同时利用直流放大模块150能够有效提升输出电压的范围。

在可选的实施方式中，差分输入端IN包括第一差分端口IN1与第二差分端口IN2，上述差分输入端IN可以设置于射频功率放大器的差分输出端之后，输出匹配网络差分输入端IN之前，与功率放大器差分输出端直接连接，能够直接、准确检测功率放大器的输出功率，减少了负载平衡性及阻抗变化对功率检测精度的影响。

第一线性功率检测子模块110、第二线性功率检测子模块120的结构、尺寸与布局与完全相同，本实施例仅对第一线性功率检测子模块110进行介绍。

请参阅图2，在可选的实施方式中，第一线性功率检测子模块110包括：第一输入端1、第一平方律运算电路111、第二输入端2、第二平方律运算电路112、第三输入端3、比例运算电路113、第一加法运算电路114、低通滤波电路115、第二加法运算电路116以及电压输出端4。

其中，第一平方律运算电路111与第一输入端1连接，第二平方律运算电路112与第二输入端2连接，第一平方律运算电路111和第二平方律运算电路112分别与第一加法运算电路114的输入端连接，第一加法运算电路114的输出端与低通滤波电路115的输入端连接。

比例运算电路113与第三输入端3连接，低通滤波电路115的输出端与比例运算电路113的输出端分别与第二加法运算电路116的输入端连接，第二加法运算电路116的输出端与电压输出端4连接。

第一线性功率检测子模块110的第一输入端1与第一差分端口IN1连接，第二输入端2与第二差分端口IN2连接，用于产生以预设加权比例正比于输入信号瞬时功率及反馈电流的输出电压至运算放大模块130。

对第一线性功率检测子模块110而言，若第一输入端1、第二输入端2的输入电压差为V_in，第三输入端3的输入电流为I_fb，则电压输出端4的输出电压V_o4与两者的关系为V_o4＝a₁·RMS(V_in)²+b₁·I_fb+c₁；其中a1\b1\c1为设定的常数。

在可选的实施方式中，第一平方律运算电路111、第二平方律运算电路112的结构、尺寸、布局均相同，第一平方律运算电路111的输出信号和输入信号呈平方律关系；第二平方律运算电路112的输出信号和输入信号呈平方律关系。

其中，对于与第一输入端1连接的第一平方律运算电路111而言，其输出信号(电流信号)与输入信号(电压信号)呈平方律关系

V₊为第一输入端1输入信号的电压。

对于与第二输入端2连接的第二平方律运算电路112而言，其输出信号与输入信号同样呈平方律关系：

V_-为第二输入端2输入信号的电压。

第一加法运算电路114的两个输入端分别与第一平方律运算电路111和第二平方律运算电路112连接，第一加法运算电路114的输出端与低通滤波电路115的输入端连接，利用低通滤波电路115滤除谐波分量，利用加法运算电路抵消输出信号中的奇次谐波，降低了低通滤波电路115的面积，提升了功率检测输出的精度。

比例运算电路113的比例系数为b1，比例运算电路113的输出端和低通滤波电路115的输出端分别与第二加法运算电路116的输入端连接，第二加法运算电路116的输出端与电压输出端4连接。

若差分输入端IN的两个端口输入的信号分别为V_±＝±Acosωt，则第一线性功率检测子模块110的输出信号表达式为：a₃A²+b₁I_fb+2c₃＝(1/2)a₃RMS(V_in)²+b₁I_fb+2c₃，当a₁＝(1/2)a₃以及c₁＝2c₃时，其满足上述第一线性功率检测子模块110表达式要求。

在可选的实施方式中，第一平方律运算电路111和第二平方律运算电路112均包括工作在饱和区的差分共源场效应型晶体管放大器，两侧晶体管的漏极相连。

第二线性功率检测子模块的第三输入端开路，用于产生零输入功率和零反馈时的输出参考电压V_ref，在可能的实现方式中，假设参考电压V_ref＝c。

第一线性功率检测子模块110的电压输出端4与运算放大模块130的反相输入端连接，第二线性功率检测子模块的电压输出端4与运算放大模块130的同相输入端连接，由于运算放大器虚短路的特性，有V_o4＝V_ref。

指数运算模块140的输入端与运算放大模块130的输出端连接，指数运算模块140的输出端与第一线性功率检测子电路的第三输入端连接，指数运算模块140的输出电流和输入电压呈指数关系，有

。I_fb为第三输入端的输入电流即指数运算模块140的输出电流，Vout为运算放大模块130的输出电压。

在可选的实施方式中，在运算放大模块130的输出端与电路输出端OUT之间设置有直流放大模块150，用以提升输出电压范围。

基于以上电路结构确定的电压、电流关系，可以构建数学模型，并解得输出电压与输入信号之数学关系，为：

其中Z_L是功率放大器的负载阻抗，通过合理选择各个加权系数，可以实现输出电压与输入信号的均方根值呈对数线性关系，实现所需的高动态范围射频功率检测电路100。

指数运算模块140包括；与输入端连接的共漏场效应型晶体管，用于位移直流电平，使后级晶体管工作在相应工作区；与共漏场效应型晶体管连接的共源场效应型晶体管，其工作在亚阈值区，输出信号和输入信号呈指数关系；与共源场效应型晶体管连接的电流镜电路，用于缓冲输出电流。

在图1与图2的基础上，请参阅图3，图3示出了本申请实施例提供的一种射频功率检测电路的电路示意图。

第一线性功率检测子模块310与第二线性功率检测子模块320的结构相同，本实施例仅对第一线性功率检测子模块310进行介绍。

第一线性功率检测子模块包括第一输入端1、第二输入端2、第三输入端3、电压输出端4、第一耦合电容311、第二耦合电容312、第一偏置电阻313、第二偏置电阻314、第一检测晶体管315、第二检测晶体管316、负载晶体管317、滤波电容318。

其中，第一线性功率检测子模块310的第一输入端1设置有第一耦合电容311，第二输入端2设置有第二耦合电容312，两者尺寸、结构完全相同，用于直流隔断和交流耦合，所述第一耦合电容311和第二耦合电容312容值较小，以提高功率检测模块的输入阻抗，降低功率检测模块对功率放大器性能的影响。

若其容值为C_c，由于其与第一检测晶体管315和所述第二检测晶体管316的栅极寄生电容C_gs构成了电容分压网络，实际输入的栅极电压为V_gs＝C_cV_in/(C_c+C_gs)；第一偏置电阻313和第二偏置电阻314尺寸、结构完全相同，用于对输入晶体管提供直流偏置，其电阻值较大以降低损耗。

第一检测晶体管315和第二检测晶体管316尺寸、结构完全相同，优选的，所述第一检测晶体管315和所述第二检测晶体管316为场效应型晶体管，均工作在饱和区，其漏极电流、栅极电压关系为I_d＝(μC_oxW/2L)(V_gs-V_th)²，满足所述平方律关系，两者漏极直接连接，从而抵消奇次谐波。

偏置晶体管316为共源连接的P沟道场效应型晶体管，用于为第一检测晶体管315和所述第二检测晶体管316提供直流电流；负载晶体管317为连接为二极管的P沟道场效应型晶体管，用于为所述第一检测晶体管315和所述第二检测晶体管316的功率检测输出电流及第三输入端3的反馈电流提供负载，其电阻为1/g_m；滤波电容318为金属-氧化物-金属电容，其容值较大，用于滤除高次谐波。

在一些可能的实施方式中，运算放大模块330由密勒电容补偿的两级运算放大器结构实现，由于仅工作于直流状态，补偿电容选取较大值以优化相位裕度。

指数运算模块340包括：电压偏移晶体管341，为共漏连接的N型场效应晶体管，用于将运算放大器的输出电压降低一个阈值电压；电流偏置晶体管342为所述的电压偏移晶体管341提供电流偏置；指数放大晶体管343，其栅极电压低于阈值电压，工作在亚阈值区，输出电流与输入电压呈指数关系：

用作电流镜的晶体管对344和345，用于将所述指数放大晶体管343的电流复制并反馈给所述第一线性功率检测子电路。

直流放大模块包括350包括运算放大器构成的同相放大电路，其中，核心运算放大器351连接为同相放大结构，第一反馈电阻353和第二反馈电阻352实现了输出电压的反馈，确定电压放大之比例。

据此，所述电路原理图满足图1和图2给出的关系式。其中

从而得到的输出电压和输入功率的关系式。

图4是根据本发明的高动态范围射频功率检测电路的一个具体实施方式的实施效果示意图。在40纳米体硅工艺和1.2V电源电压下，所述的高动态范围射频功率检测电路示例仿真直流功耗为160微瓦，输出电压范围为0.2至1V，对数线性功率检测范围达到30dB，最大功率检测范围超过40dB。

基于上述实施方式提供的射频功率检测电路，本发明还提供一种电子设备，电子设备包括如前述实施方式任意一项的射频功率检测电路。

需要说明的是，本实施例提供的电子设备，其基本原理与产生的技术效果与上述实施例提供的射频功率检测电路提供的基本原理与技术效果基本相同，为简要描述，本实施例不再进行详细说明，本实施例未介绍详尽之处，请参阅前述实施方式中的相关内容。

综上所述，本发明提供的射频功率检测电路及电子设备，差分输入端可以与功率放大器差分输出端直接连接，能够直接、准确检测功率放大器的输出功率，减少了负载平衡性及阻抗变化对功率检测精度的影响；第一平方律运算电路和第二平方律运算电路的输出信号通过第一加法运算电路相加，抵消了输出信号中的奇次谐波，降低了低通滤波电路的面积，提升了功率检测输出的精度，运算放大模块和指数运算模块构成了电流反馈环路，实现了高精度的对数运算，使输出电压与输入功率的均方根值呈对数线性关系，实现了高动态范围的功率检测，同时利用直流放大模块能够有效提升输出电压的范围。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种射频功率检测电路，其特征在于，所述射频功率检测电路包括差分输入端、第一线性功率检测子模块、第二线性功率检测子模块、运算放大模块、直流放大模块、指数运算模块及电路输出端；

所述第一线性功率检测子模块的第一输入端、第二输入端与所述差分输入端连接，所述第一线性功率检测子模块的电压输出端与所述运算放大模块的反相输入端连接，用于产生以预设加权比例正比于输入信号瞬时功率及反馈电流的输出电压；

所述第二线性功率检测子模块的第一输入端、第二输入端短接，所述第二线性功率检测子模块的电压输出端与所述运算放大模块的同相输入端连接，所述第二线性功率检测子模块用于产生零输入功率和零反馈情况下的输出参考电压；

所述运算放大模块的输出端通过指数运算模块与所述第一线性功率检测子模块的第三输入端连接；

所述运算放大模块的输出端还通过所述直流放大模块与所述电路输出端连接，用于提升电路输出端的输出电压范围。

2.根据权利要求1所述的射频功率检测电路，其特征在于，其中，所述第一线性功率检测子电路包括：

第一输入端、第一平方律运算电路、第二输入端、第二平方律运算电路、第三输入端、比例运算电路、第一加法运算电路、低通滤波电路、第二加法运算电路以及所述电压输出端；

所述第一平方律运算电路与所述第一输入端连接，所述第二平方律运算电路与所述第二输入端连接，所述第一平方律运算电路和所述第二平方律运算电路分别与第一加法运算电路的输入端连接，所述第一加法运算电路的输出端与所述低通滤波电路的输入端连接；

所述比例运算电路与所述第三输入端连接，所述低通滤波电路的输出端与所述比例运算电路的输出端分别与所述第二加法运算电路的输入端连接，所述第二加法运算电路的输出端与所述电压输出端连接。

3.根据权利要求2所述的射频功率检测电路，其特征在于，所述第二线性功率检测子模块的结构、尺寸与布局与所述第一线性功率检测子模块相同。

4.根据权利要求2所述的射频功率检测电路，其特征在于，所述第一平方律运算电路的输出信号和输入信号呈平方律关系。

5.根据权利要求4所述的射频功率检测电路，其特征在于，所述第二平方律运算电路的结构、尺寸、布局与所述第一平方律运算电路相同。

6.根据权利要求2所述的射频功率检测电路，其特征在于，所述第一平方律运算电路和所述第二平方律运算电路均包括工作在饱和区的差分共源场效应型晶体管放大器，两侧晶体管的漏极相连。

7.根据权利要求1所述的射频功率检测电路，其特征在于，所述指数运算模块包括；

与输入端连接的共漏场效应型晶体管，用于位移直流电平，使后级晶体管工作在相应工作区；

与所述共漏场效应型晶体管连接的共源场效应型晶体管，其工作在亚阈值区，输出信号和输入信号呈指数关系；

与所述共源场效应型晶体管连接的电流镜电路，用于缓冲输出电流。

8.根据权利要求1所述的射频功率检测电路，其特征在于，所述直流放大模块包括同相放大电路。

9.根据权利要求1所述的射频功率检测电路，其特征在于，所述第二线性功率检测子模块的第三输入端开路。

10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1～9任意一项所述的射频功率检测电路。

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