峰值包络功率和您的RF信号链模拟

2020年4月17日

PCB峰值包络功率计算

为这种天线设计接收电路需要进行峰值包络功率计算。

调幅是将信息编码到电磁波上的最古老的方法。尽管这种方法和无线电一样古老，但它不会很快消失。在空气、铜和光纤上的高数据传输速率仍然可以通过使用带调幅的多级信令方案实现。设计任何支持AM信号的检测器、接收机/发射机和信号链都需要峰值包络功率计算作为电路设计的一部分。

设计任何射频接收机分系统的目标都是最大限度地提高交付给负载组件的功率。类似地，在射频发射机子系统中，目标是最大化发送到发射天线的功率。峰值包络功率和平均包络功率都是量化通过射频信号链的信号强度的重要指标。以下是在设计射频子系统时如何处理峰值包络功率，以及如何量化接收/发射功率。

为什么使用峰值包络功率计算?

每个调幅信号都有一个载频(高频)和一个包络频率(低频)。载波频率可以被认为是“携带”信号的频率，而包络频率随着时间周期性地改变载波信号的幅值。在某些情况下，例如在声音复制中，载频不是单一的谐波。相反，它可能是一些任意的信号连续调制载波信号的幅度并对载波信号的信息进行编码。

下图显示了时域中的调幅信号。如果你检查这个调幅信号，就会发现载波信号的功率是一个毫无意义的功率测量。信号所携带的功率的真正度量是由包络信号决定的。这在逻辑上是这样的，因为载波功率由它的振幅决定，而振幅由包络信号决定。因此，调幅信号所携带的功率完全由包络信号的强度决定。

调幅信号在时域的峰值包络功率。

量化载波信号功率的两个重要指标是平均包络功率和峰值包络功率。峰值包络功率就是时域内包络信号的振幅．平均值只是时域中的平均值，恰好是包络信号的中点(见上面的蓝线)。

在计算峰值包络功率时，需要使用AM信号的峰值电压/电流和负载阻抗。如果知道包络信号的峰值电压，就可以计算出峰值包络功率，反之亦然。对于任意负载阻抗，峰值包络功率为:

峰值包络功率方程

峰值包络功率方程

相位因数就是在这个任意阻抗中电压和电流之间的相位差。峰值包络功率通常通过参考电阻测量，即Z = r。请注意，实际天线和组件有一些无功阻抗，这将取决于AM信号的频率内容。

在使用AM信号的电路模拟中，目标是通过信号链传输最大功率。这是通过在模拟过程中直接测量峰值包络功率，或通过测量峰值包络电压并计算已知负载阻抗的峰值包络功率来实现的。

如果您正在为发射天线设计信号链，并且知道天线的阻抗，那么您可以计算给定峰值包络电压的峰值包络功率。然后，您可以优化信号链的不同部分，以尝试最大化传递到天线的峰值包络功率。反过来，您可以计算接收天线信号链中交付给负载的功率和电压，并优化信号链的每个部分，以最大限度地减少沿途的损失。

如果你正在处理AM信号的RF信号链，有几个部分的链需要考虑:

阻抗匹配网络: LC槽电路，pi滤波器或类似的无功滤波器通常用于AM和RF信号。每个网络都应该有平坦传递函数在调幅信号的带宽范围内，以确保通过信号链的最大功率传输。
放大器:放大器需要阻抗匹配，同时仍在线性范围内工作，以防止失真和谐波的产生。对于传输信号链，可能需要执行load-pull分析确保通过信号链实现最大功率传输。
过滤器电路中使用的任何滤波器都应遵循与阻抗匹配网络相同的设计原则。

射频信号链的峰值包络功率

调幅信号的基本发射和接收信号链

您需要使用一些基本的电路模拟功能来确保通过信号链传输了最大功率。这些在下表中显示。

模拟	目标
频率扫描	计算阻抗匹配网络和电路中任何滤波器的传递函数。
瞬态分析	在这里，你不太担心信号的上升或下降时间;像样的收发器具有可忽略的瞬态行为。相反，这用于直接提取峰值包络电压用于峰值包络功率计算。
Pole-zero分析	任何滤波器电路都不应该有不希望的共振或与调幅信号带宽的停止带。
FFT	在发射信号链中，输出放大器通常会接近饱和，检查三阶互调产品是否低于接收机允许的极限是很重要的。
谐波平衡	这超越了简单的FFT，因为它可以帮助您可视化信号链中线性和非线性子电路对输出信号的影响。