三分鐘讓您成為射頻功率測量專(zhuān)家

　　自從第一臺無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機誕生之日起，工程師們就開(kāi)始關(guān)心射頻功率測量問(wèn)題，知道今天這依然是個(gè)熱門(mén)話(huà)題。無(wú)論是在實(shí)驗室，產(chǎn)線(xiàn)上還是教學(xué)中，功率測量都是必不可少的。

　　在無(wú)線(xiàn)電發(fā)展初期，測試工程師所面對的大多數是連續波、調幅、調頻、調相或脈沖信號，這些信號都是有規律可循的。例如，連續波(如圖1)調頻或調相信號的功率測量都是很簡(jiǎn)單，只需要測量其平均功率;調幅信號(如圖2)的功率與其調制深度有關(guān)，而脈沖信號的特性是以脈沖寬度和占空比來(lái)表達。對于以上這些模擬或模擬調制信號，射頻功率測量所關(guān)心的基本上都是平均功率和峰值功率。

　　而現在，特別是20世紀90年代以后，數字通信開(kāi)始快速發(fā)展，射頻功率測量的重點(diǎn)也開(kāi)始有些變化。因為數字調制信號(如圖3)的包絡(luò )無(wú)規律可循，其最大和最小電平會(huì )隨機變化，而且變化量很大。為了描述這類(lèi)信號的特征，引入了一些新的描述方法，如領(lǐng)道功率，突發(fā)功率，通道功率等。很多傳統的功率計已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足數字信號功率的測量要求，一部分功率測量的任務(wù)已經(jīng)開(kāi)始由頻譜分析儀來(lái)完成。

　　下面我們介紹常見(jiàn)的幾種射頻功率測量方法，在此之前我們還需要明確一件事——在頻域測試測量中，為什么習慣以功率來(lái)描述信號強度，而不是像時(shí)域測試測量中常用的電壓和電流?那是因為在射頻電路中，由于傳輸線(xiàn)上存在駐波，電壓和電流失去了唯一性，所以射頻信號的大小一般用功率來(lái)表示，國際通用的功率單位為W，mW，dBm。

　　頻譜分析儀和功率計都是可以測量射頻功率的，其中功率計又分為吸收式功率計與通過(guò)式功率計兩種。

　　同樣是功率測量，不同的測試儀器和測試方法所關(guān)注的重點(diǎn)是不同的。

　　射頻功率的測量方法：

　　· 頻譜分析儀測量

　　· 吸收式功率測量

　　· 通過(guò)式功率測量

　　1、頻譜分析儀測量

　　頻譜分析儀(以下簡(jiǎn)稱(chēng)頻譜儀)是一種基礎的頻域測試測量?jì)x器，圖4為采用數字中頻技術(shù)頻譜儀的基本工作原理。被測信號經(jīng)過(guò)低通濾波器后進(jìn)入混頻器，與同時(shí)進(jìn)入混頻器的本地振蕩器信號進(jìn)行混頻。由于混頻器是非線(xiàn)性器件，所以會(huì )產(chǎn)生互調信號，落入濾波器的信號經(jīng)過(guò)ADC，再依次進(jìn)入中頻濾波器，包絡(luò )檢波器，視頻濾波器，視頻檢波器，最后將軌跡顯示在屏幕上。

　　在進(jìn)行射頻功率參數測量時(shí)，頻譜儀具有以下特點(diǎn)：

　　1)頻譜儀可以測量極小幅度的射頻信號，這取決于頻譜儀的一項關(guān)鍵指標-DANL(Displayed Average Noise Level),中文“顯示平均噪聲電平”，例如RIGOL公司DSA875該指標可達-161dBm/Hz，圖5為DSA875測量一個(gè)頻率999MHz，功率-130dBm的信號結果，信號清晰可見(jiàn)，這是任何功率計所望塵莫及的。

　　2)頻譜儀有很大的幅度測量范圍，可以從DANL到安全輸入電平+20 dBm甚至+30dBm，動(dòng)態(tài)范圍可達190 dB!而目前市面上功率計最大動(dòng)態(tài)范圍基本上都在100 dB以?xún)?，如?/p>

　　德國某公司NRP8S: –70 dBm 到+23 dBm

　　美國某公司U2041XA: –70 dBm 到+26 dBm

　　3)頻譜儀可以測量信號的頻率分量，并且可以進(jìn)行窄帶測量。例如RIGOL公司的DSA875具備的信道功率與領(lǐng)道功率等高級測量功能，如圖6，圖7。

　　4)頻譜儀可以同時(shí)測量多載頻信號，觀(guān)察信號頻譜儀分布。

　　2、吸收式功率測量

　　吸收式功率計是常用的微波與射頻功率測量設備，其工作原理如圖8(二極管檢波器功率計)所示。被測信號首先進(jìn)入功率計，功率計電路可采用熱敏電阻，熱電偶或二極管檢波器等不同方式構成，功率計內部由3路測量通道組成，分別測量不同功率大小的信號，經(jīng)過(guò)數字處理后將功率值顯示到功率計主機或是電腦軟件中，現在越來(lái)越多的顯示部分采用軟件來(lái)實(shí)現(如圖9)。

　　吸收式功率計有以下特點(diǎn)：

　　1)在常見(jiàn)的微波與射頻功率測量?jì)x器中，吸收式功率計的幅度測量精度是最高的;

　　2)動(dòng)態(tài)范圍一般不會(huì )超過(guò)100 dB;

　　3)不能測量大功率，通常測量上限在+30 dBm(1 W)左右，如果需要擴展測量范圍，則需要外接衰減器;

　　4)可以測量各種調制信號的平均功率、峰值功率、突發(fā)功率、脈沖寬度、上升/下降時(shí)間;

　　5)不能像頻譜儀一樣測量信號的頻率分量;

　　6)不能測量VSWR。

　　鑒于吸收式功率計的這些特點(diǎn)，其作為實(shí)驗室校準設備，用來(lái)校準信號源和頻譜儀的應用較多。

　　3、通過(guò)式測量

　　通過(guò)式功率測量是對吸收式功率測量法的一種擴展應用，解決了吸收式功率計測量大功率和VSWR的局限性。通過(guò)式功率測量最大的意義就是可以測量放大器或發(fā)射機在大功率狀態(tài)下與負載的匹配。提到通過(guò)式功率計，很多人會(huì )聯(lián)想到一個(gè)產(chǎn)品——Bird 43(圖10)，由Bird公司1952年發(fā)明，至今仍在生成與應用。

　　通過(guò)式功率計的核心器件是定向耦合器，通過(guò)測量通過(guò)功率計的正向功率與反射功率計算出VSWR，這種測量方法有以下特點(diǎn)：

　　1)通過(guò)式功率計具有大功率測量能力;

　　2)不能測量幅度很小的功率;

　　3)通過(guò)式功率計受到定向耦合器的帶寬限制，測量帶寬相對頻譜儀與吸收式功率計要小很多;

　　4)通過(guò)式功率計可以測量發(fā)射機與負載(天線(xiàn))之間的大功率匹配。

　　通過(guò)本文的介紹可見(jiàn)，在射頻功率測量中，頻譜儀在靈活性，適用范圍具有先天的優(yōu)勢，吸收式功率計精度最高，通過(guò)式功率計則更偏向于大功率信號測量。