一种射频功率检测电路

本发明涉及集成电路领域，具体涉及一种射频功率检测电路。

背景技术：

传统发射功率检测电路如图4所示，射频放大器输出信号经过功率分配器后，一部分信号通过匹配网络输入对数放大器进行放大，实现对信号幅度的平方，然后经过镇流器和低通滤波器得到对数放大器输出信号的幅值，这种方式中，为了实现较高线性度的功率检测，需要增加对数放大器的级数，镇流器需要同时对每一级对数放大器的输出进行镇流，然后滤波后得到与发射信号成比例的电压值，电路复杂且电流消耗多。由于需要的电路更为复杂，因此引入的误差会更改多，检测精度相对较差。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种射频功率检测电路。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种射频功率检测电路，包括：射频通道和射频功率检测通道；

所述射频通道包括射频放大器、射频功率分配器和负载，所述射频放大器的输入端接入射频输入，输出端连接至所述射频功率分配器，所述射频功率分配器一路输出连接至负载，另一路输出连接至所述射频功率检测通道；

所述射频功率检测通道包括匹配网络和自混频器；所述匹配网络的输入端连接至射频功率分配器的输出端，输出端连接至所述自混频器；所述自混频器输出检测电平。

上述方案的有益效果是，克服了传统方式中，为了实现较高线性度到功率检测，需要增加对数放大器级数，同时需要镇流器对每一级的对数放大器进行镇流，使得电路结构更加简单，提高了检测精度，降低了因元器件过多所引入的检测误差。

进一步的，所述射频放大器用于对输入射频信号进行前级放大，包括差分输入对管m1和差分输入对管m2，其中，差分输入对管m1和差分输入对管m2的源极接地、栅极接入射频输入、漏极输出至所述射频功率分配器。

上述进一步方案的有益效果是，通过射频放大器起到将信号通路上的射频信号放大的作用。

进一步的，所述射频功率分配器用于调整输出至所述负载和所述射频功率检测通道的功率比值，包括第一晶体管组m3、第二晶体管组m4、第三晶体管组m5和第四晶体管组m6，其中，第一晶体管组m3、第二晶体管组m4、第三晶体管组m5和第四晶体管组m6中包括1个或者多个相同结构的晶体管单元；其中每个晶体管单元的源极接入射频放大器，漏极接入匹配网络，栅极通过控制信号控制其栅极连接至电源vdd或者接地。

上述进一步方案的有益效果是，通过功率分配器实现射频信号功率按比例分配，一部分功率分配至其它射频负载电路，一部分功率分配至射频功率检测通道。

进一步的，所述第一晶体管组m3和第二晶体管组m4中的晶体管单元数量相同，每组晶体管中晶体管单元的源极和漏极分别并联连接，第一晶体管组m3和第二晶体管组m4组成差分结构，用于控制输出至所述负载的功率，所述第一晶体管组m3的源极连接至m1的漏极，所述第二晶体管组m4的源极连接至差分输入对管m1漏极。

进一步的，所述第三晶体管组m5和第四晶体管组m6中的晶体管单元数量相同，每组晶体管中晶体管单元的源极和漏极分别并联连接，第三晶体管组m5和第四晶体管组m6组成差分结构，用于控制输出至所述射频功率检测通道的功率，所述第三晶体管组m5的源极连接至m1的漏极，所述第四晶体管组m6的源极连接至差分输入对管m2的漏极。

进一步的，所述第一晶体管组m3和第二晶体管组m4在处于工作状态时，保持其中有效晶体管单元的个数为所述第三晶体管组m5和第四晶体管组m6中有效晶体管单元的整数倍，以控制输出至负载和输出至功率检测电路的功率比。

上述进一步方案的有益效果是，通过控制每个晶体管单元的栅极接地或者接入电源vdd来灵活控制输出至负载和输出至功率检测电路的功率比，此结构在精确控制功率分配的同时，无需增加额外的无源功率分配网络，结构简单，降低功率损耗，同时节约芯片面积。

进一步的，所述匹配网络包括射频输出变压器和功率检测变压器，其中，所述射频输出变压器的初级线圈两端分别连接至所述第一晶体管组m3和第二晶体管组m4的漏极，次级线圈的一端接入负载，另一端接地；所述功率检测变压器的初级线圈的分别连接至所述第三晶体管组m5和第四晶体管组m6的漏极，其次级线圈的两两端作为所述自混频器的输入。

上述进一步方案的有益效果是，变压器结构具有结构简单，匹配带宽宽等特点，还可以实现差分信号至单端信号的转换。

进一步的，所述自混频器用于进行射频功率检测，包括差分对管m7和差分对管m8，其中差分对管m7的栅极通过第一隔直电容c1接入所述功率检测变压器的正相输出端，并通过电阻r1接入偏置电压；差分对管m8的栅极通过第二隔直电容c2接入所述功率检测变压器的负相输出端，并通过电阻r2接入偏置电压；所述差分对管m7和差分对管m8的源极接地，漏极短接作为检测电平输出并通过并联连接的负载电阻r0和滤波电容c0接入系统电源vdd。

上述进一步方案的有益效果是，通过自混频器实现射频功率的检测功能。

进一步的，所述差分对管m7和差分对管m8通过调节所述偏置电压使其工作于亚阈值区。

上述进一步方案的有益效果是，通过调节偏置电压让晶体管m7和m8工作在亚阈值区，使其电流转换关系具备强非线性特性。

进一步的，所述检测检测电平输出与输入射频信号的关系表示为：

其中，为检测电平、为输入射频信号、为自混频器中输出电流与输入电压的二次方比例系数、为负载电阻r0的阻值、为输出至负载和输出至功率检测电路的功率比。

附图说明

图1为本发明射频功率检测电路结构示意图

图2为本发明射频功率分频器电路结构示意图。

图3为本发明自混频器电路结构示意图。

图4为传统发射功率检测电路结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

传统发射功率检测电路如图4所示，射频放大器输出信号经过功率分配器后，一部分信号通过匹配网络输入对数放大器进行放大，实现对信号幅度的平方，然后经过镇流器和低通滤波器得到对数放大器输出信号的幅值。

本实施例提出一种射频功率检测电路，如图1所示，包括：射频通道和射频功率检测通道；

射频通道包括射频放大器、功率分配器和负载，射频放大器的输入端接入射频输入，输出端连接至功率分配器，功率分配器一路输出连接至负载，另一路输出连接至射频测试通道；

射频功率检测通道包括匹配网络和自混频器，匹配网络的输入端连接至功率分配器的输出端、输出端连接至自混频器，自混频器输出检测电平。

在本实施例里，射频放大器输出信号经过功率分配器后，一部分信号通过匹配网络输入自混频器混频，自混频器输出与射频功率成正比的电压信号。

如图1中射频放大器起到将信号通路上的射频信号放大的作用，也可以是信号通路上其他射频器件；功率分配器实现射频信号功率按比例分配，一部分功率分配至其他射频负载电路，一部分功率分配至功率检测电路；负载模块为射频信号通路上其他与具体应用相关的射频模块或射频天线等；匹配网络实现功率分配器与自混频电路之间的阻抗匹配；自混频器实现射频功率检测功能。

具体而言，如图2所示，其前级为差分射频放大器用于对输入射频信号进行前级放大，包括差分输入对管m1和差分输入对管m2，其中，差分输入对管m1和差分输入对管m2的源极接地、栅极接入射频输入、漏极输出至所述射频功率分配器。射频功率分配器电路采用晶体管源极输入，由于晶体管源极输入阻抗低，前级射频放大器输出信号电流将直接流入射频功率分配器源极，其与前级射频放大器之间无需专门的阻抗匹配网络，简化了电路结构，避免了阻抗匹配网络带来的额外损耗。

射频功率分配器包括第一晶体管组m3、第二晶体管组m4、第三晶体管组m5和第四晶体管组m6，其中，第一晶体管组m3、第二晶体管组m4、第三晶体管组m5和第四晶体管组m6中包括1个或者多个相同结构的晶体管单元，其中每个晶体管单元的源极接入射频放大器、漏极接入匹配网络、栅极通过控制信号控制器栅极连接至电源vdd或者接地。

射频功率分配器由晶体管m3、m4、m5、m6组成，而m3、m4、m5、m6由一个或多个相同的晶体管单元构成，这些晶体管单元可通过控制信号控制其栅极电压接至电源vdd或地，接至电源vdd单元的个数为有效工作的晶体管数。其中第一晶体管组m3、第二晶体管组m4中有效晶体管保持相同数目，组成差分结构，控制输出至天线负载的功率，第三晶体管组m5和第四晶体管组m6中有效晶体管保持相同数目，组成差分结构，控制输出至功率检测电路的功率。第一晶体管组m3、第二晶体管组m4中有效晶体管个数为第三晶体管组m5和第四晶体管组m6中有效晶体管个数的k倍，k为比例系数，控制输出至负载和输出至功率检测电路的功率比。由于第一晶体管组m3、第三晶体管组m5具有相同的栅源电压，第二晶体管组m4、第六晶体管组m6具有相同的栅源电压，因此流过第一晶体管组m3的电流与流过第三晶体管组m5电流成比例，比例系数为m3、m5的尺寸比k，同样流过第二晶体管组m4的电流为流过第四晶体管组m6电流的k倍。因此，输入第一晶体管组m3、第二晶体管组m4的信号功率为输入第三晶体管组m5、第四晶体管组m6信号功率的k倍，可以通过配置不同的晶体管尺寸比例，灵活控制输出至负载和输出至功率检测电路的功率比值，具体而言，如图2所示，

第一晶体管组m3、第二晶体管组m4、第三晶体管组m5和第四晶体管组m6，第一晶体管组m3、第二晶体管组m4、第三晶体管组m5和第四晶体管组m6中包括1个或者多个相同结构的晶体管单元，其中每个晶体管单元的源极接入射频放大器、漏极接入匹配网络、栅极通过控制信号控制器栅极连接至电源vdd或者接地。

第一晶体管组m3和第二晶体管组m4中的晶体管单元数量相同，每个晶体管单元的源极和漏极分别并联连接组成差分结构，用于控制输出值负载的功率，第一晶体管组m3的源极连接至m1的漏极，第二晶体管组m4的源极连接至差分输入对管m1漏极。

第三晶体管组m5和第四晶体管组m6中的晶体管单元数量相同，每个晶体管单元的源极和漏极分别并联连接组成差分结构，用于控制输出至射频功率检测通道的功率，第三晶体管组m5的源极连接至差分输入对管m1的漏极，第四晶体管组m6的源极连接至差分输入对管m2的漏极。

第一晶体管组m3和第二晶体管组m4在处于工作状态时，保持其中有效晶体管单元的个数为第三晶体管组m5和第四晶体管组m6中有效晶体管单元的整数倍。

射频功率分配器电路输出至负载天线的匹配网络采用变压器实现，变压器结构具有结构简单，匹配带宽宽等特点，还可以实现差分信号至单端信号的转换。射频功率分配器电路输出至射频功率检测电路的匹配网络同样采用变压器实现，通过调整变压器尺寸可方便实现两级间的功率匹配，具体而言，如图2所示：

匹配网络包括射频输出变压器和功率检测变压器，其中，射频输出变压器的初级线圈两端分别连接至第一晶体管组m3和第二晶体管组m4的漏极、次级线圈的一端接入负载，另一端接地；功率检测变压器的初级线圈的分别连接至第三晶体管组m5和第四晶体管组m6的漏极、其次级线圈的两两端作为自混频器的输入。

自混频器用于进行射频功率检测，包括差分对管m7和m8，其中差分对管m7的栅极通过第一隔直电容c1接入到功率检测变压器的正相输出端，作为差分对管m7的正相输入，并通过电阻r1接入偏置电压；m8的栅极通过第二隔直电容c2接入功率检测变压器的负相输出端，作为差分对管m8的负相输入，并通过电阻r2接入偏置电压；差分对管m7和差分对管m8的源极接地，漏极短接并通过并联连接的负载电阻r0和滤波电容c0接入系统电源vdd，m7和m8的漏极为检测电平输出，具体而言，如图3所示，

晶体管m7、m8的栅极分别为输入射频信号的正相端和负相端，源极接地，漏级短接在一起，接输出负载电阻以及滤波电容。晶体管m7、m8分别实现输入电压信号vip、vin至输出电流信号io1、io2的转换，通过调节偏置电压vb，将晶体管m7、m8工作在亚阈值区，使其电流转换关系具备强非线性特性。由于晶体管的强非线性特性，使得其输出电流中产生与输入信号幅度相关的直流电流，且m7、m8中产生的与输入信号幅度相关的直流电流是同相位的，因此可通过m7、m8漏级直接短接方式实现电流的叠加。电阻ro将输出电流信号io1、io2转换为输出电压信号vo；输出电容co与ro一起实现滤波作用，滤除输出信号vo中除直流电压以外的其他射频信号；电容c1、c2实现隔直作用；电阻r1、r2实现输入信号与偏置电压vb之间的隔离。

自混频电路工作原理具体数学推导如下：

亚阈值区晶体管输出电流与输入电压之间的数学关系可表示为，

式中a1、a2分别为输出电流io与输入电压vin一次方、二次方的比例系数，更高阶项的系数较小，式中省略。

假设射频放大器的输出差分信号为，

则输出差分信号总功率为,

v0为输出信号电压摆幅，z0为放大器输出阻抗。

射频放大器输出信号经过功率分配器和匹配网络后，输入至自混频器的信号为，

其中k为功率分配器功率及匹配网络电压传输系数。

将自混频器输入电压带入其输入输出关系式可得，

晶体管输出电流流经电阻ro产生的电压为，

经输出co滤除高频信号后为，

由此可见，其输出信号与发射信号功率成正比。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。