面向非專(zhuān)業(yè)的射頻測量技術(shù)基礎

引言

當前，基于射頻原理的無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品俯拾即是，其數量的增長(cháng)速度也非常驚人。從蜂窩電話(huà)和無(wú)線(xiàn)PDA，到支持WiFi的筆記本電腦、藍牙耳機、射頻身份標簽、無(wú)線(xiàn)醫療設備和ZigBee傳感器，射頻設備的市場(chǎng)規模在飛速擴大。僅從今年來(lái)看，全球制造并銷(xiāo)售的蜂窩電話(huà)將高達8.5億多只。

要想進(jìn)行全面的生產(chǎn)測試并提高測試產(chǎn)能，測試工程師們必須要理解射頻基本原理，清楚測試的內容，并懂得選用最適合 的儀器完成這些測試工作。問(wèn)題是，大多數從事低頻應用(工作頻率在1MHz以下)的工程師不太熟悉高頻的應用特點(diǎn)。

射頻術(shù)語(yǔ)：您必須掌握的“工作語(yǔ)言”

忘掉電壓，射頻工程師常用功率

射頻信號的強度千差萬(wàn)別。隨著(zhù)信號在自由空間的傳播，單位功率將隨著(zhù)距離的平方成比例降低，功率的變化常用分貝(dB)來(lái)表示。

采用分貝進(jìn)行功率測量也大大簡(jiǎn)化了計算過(guò)程。增益

和損耗都按分貝為單位進(jìn)行加減。因此，乘法操作簡(jiǎn)化為加法操作。dB的形式化定義為：

dB = 10 log (Pout/Pin)

分貝dB是一個(gè)相對的值。另一個(gè)相關(guān)的單位是毫瓦分貝dBm，它是相對于1mW的絕對功率。圖1給出了dBm的值及其相應的瓦特數，其中還給出了移動(dòng)電話(huà)的發(fā)射機發(fā)射功率參考范圍，以及靈敏接收機所能檢測到的最低信號功率。圖2給出的等式定義了室溫下射頻信號的理論熱噪聲。由于射頻信號通過(guò)空氣的傳輸以及受到大氣干擾和其它信號的干擾，到達接收機端的信號電平可能變得非常低。接收機常常需要檢測低于0.1pW的信號(或者低于微伏的信號電平)。

Noise Floor：本底噪聲

常見(jiàn)問(wèn)題不再是輸入阻抗，而是傳輸線(xiàn)的阻抗失配

在低頻情況下，我們在電路上傳輸電壓的目標是實(shí)現最小的衰減幅度。其中，最有效的電路是輸入阻抗高而輸出阻抗低的電路。對于射頻應用，線(xiàn)纜的長(cháng)度可能只有波長(cháng)的四分之一，我們必須把信號傳輸當成波來(lái)理解。如果波受到阻斷，部分波信號就會(huì )發(fā)生反射。射頻傳輸的目標就是無(wú)損耗地將所有的功率傳給負載。任何功率的反射就意味著(zhù)傳給負載功率的損失。因此，失配是一個(gè)關(guān)鍵的參數。電路元件和傳輸線(xiàn)之間的任何阻抗差異都會(huì )引起反射和功率損耗。

圖1給出了dBm的值及其相應的瓦特數其中還給出了移動(dòng)電話(huà)的發(fā)射機發(fā)射功率參考范圍以及靈敏接收機所能檢測到的最低信號功率

圖2給出的等式定義了室溫下射頻信號的理論熱噪聲

在射頻應用中，傳輸線(xiàn)一般都采用同軸電纜，它們相對于電路板和電路板內的微帶線(xiàn)路而言都是外部組件。這些組件具有自己的特征阻抗。傳輸線(xiàn)的特征阻抗取決于導線(xiàn)的幾何結構、導線(xiàn)的屬性以及包裹或隔離導線(xiàn)的絕緣體。對于射頻應用來(lái)說(shuō)，傳輸線(xiàn)的特征阻抗以及各組件的輸入和輸出阻抗通常采用50歐姆或75歐姆。 50歐姆的阻抗用于優(yōu)化系統內的功率傳輸，而75歐姆的阻抗用于實(shí)現最小的衰減，例如有線(xiàn)電視網(wǎng)系統。大部分射頻無(wú)線(xiàn)傳輸系統都是針對功率傳輸而進(jìn)行設計優(yōu)化的，因此特征阻抗都是50歐姆。

為了盡量減少反射，無(wú)線(xiàn)測試與測量應用中的射頻線(xiàn)纜和組件都是基于50歐姆特征阻抗而設計的。相反，當阻抗匹配時(shí)，就實(shí)現了最佳的功率傳輸。

如果某個(gè)信號波從一種特征阻抗傳輸到另一種不同的特征阻抗，那么就會(huì )引起信號反射和反向傳輸。如果阻抗相同，就不會(huì )發(fā)生反射。當由于阻抗不連續而發(fā)生信號發(fā)射時(shí)，就會(huì )在傳輸線(xiàn)的兩個(gè)方向上出現信號波的傳輸。在這兩個(gè)波相位相同的點(diǎn)上，將出現最大的電壓幅值Vmax;在它們相位相差180度的點(diǎn)上，將出現 Vmin。Vmax和Vmin的比值稱(chēng)為電壓駐波比，即VSWR。VSWR是衡量某個(gè)連接器或某條線(xiàn)纜的阻抗是否接近50歐姆的一個(gè)指標。圖3給出了理想情況下全匹配(沒(méi)有反射)、理想開(kāi)路(100%反射)，以及極端情況下這三個(gè)值之間的關(guān)系。

圖3給出了理想情況下全匹配理想開(kāi)路以及極端情況下這三個(gè)值之間的關(guān)系

Return Loss：回波損耗

Reflected Power：反射功率

熟悉掌握新型的連接器、線(xiàn)纜和元件

帶BNC連接器的電纜通常在500MHz以上就開(kāi)始衰減。在射頻領(lǐng)域，電纜通常配備N(xiāo)型連接器和SMA連接器。N型連接器常用在測試儀器上，因為它們非常耐用，可以處理高功率，能夠很好地工作在高達18GHz的頻率下。SMA連接器比N型連接器小得多，比N連接器的功率更低，但是可以很好地用于 18GHz以上的頻率下。

所有的射頻電纜都是同軸的。同軸射頻電纜可以是不可彎曲的(即剛性的)、可彎曲一定程度的(即半剛性的)，或者可彎曲的。對于射頻而言，我們要比低頻情況下更小心地對待電纜。過(guò)分的彎曲電纜以及明顯的90度折彎都會(huì )損壞電纜，嚴重地降低傳輸性能。

在低頻情況下，良好的連接就是指導線(xiàn)之間要相互接觸(簡(jiǎn)單的連續性)。而在射頻情況下，阻抗失配是很?chē)乐氐膯?wèn)題，意味著(zhù)良好的連接不僅要確保導線(xiàn)相互接觸，而且要求連接器也要正確的扭轉在一起。因此，射頻制造商常采用7英尺磅大小的扭矩，以確保連接器之間具有很好的接觸和最小的電阻(射頻術(shù)語(yǔ)稱(chēng)為插入損耗)。

在整個(gè)測試系統中保證50歐姆的傳輸線(xiàn)

射頻電路中的并行連接或者多信號通路并不像低頻電路中的那樣簡(jiǎn)單。保證整個(gè)電路通路阻抗匹配，減小阻抗不連續和信號反射是非常關(guān)鍵的。射頻開(kāi)關(guān)的制作都采用精密加工，以確保整個(gè)開(kāi)關(guān)都是50歐姆的阻抗。為了實(shí)現并行通路，人們采用所謂的分路器或分離器之類(lèi)的器件將一條輸入信號通路分成兩條或多條輸出通路，每條通路50歐姆。組合器則實(shí)現相反的作用，將多條輸入通路合并成一條輸出通路。如果您是首次接觸射頻測試，那么不要被這些復雜的情況所嚇倒。射頻元件比同樣的直流元件成本要高得多。