五分鐘掌握射頻功率測量方法

自從第一臺無線電發(fā)射機(jī)誕生之日起，工程師們就開始關(guān)心射頻功率測量問題，直到今天依然是個熱門話題。無論是在實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)線，還是教學(xué)中，功率測量都是必不可少的。

在無線電發(fā)展初期，測試工程師所面對的大多數(shù)是連續(xù)波、調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相或脈沖信號，這些信號都是有規(guī)律可循的。例如，連續(xù)波(如下圖)調(diào)頻或調(diào)相信號的功率測量都是很簡單，只需要測量其平均功率;調(diào)幅信號(如下圖)的功率與其調(diào)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表達(dá)。對于以上這些模擬或模擬調(diào)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(xiàn)在，特別是20世紀(jì)90年代以后，數(shù)字通信開始快速發(fā)展，射頻功率測量的重點(diǎn)也開始有些變化。因?yàn)閿?shù)字調(diào)制信號(如下圖)的包絡(luò)無規(guī)律可循，其最大和最小電平會隨機(jī)變化，而且變化量很大。為了描述這類信號的特征，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(tǒng)的功率計已經(jīng)無法滿足數(shù)字信號功率的測量要求，一部分功率測量的任務(wù)已經(jīng)開始由頻譜分析儀來完成。

下面我們介紹常見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(xí)慣以功率來描述信號強(qiáng)度，而不是像時域測試測量中常用的電壓和電流?那是因?yàn)樵谏漕l電路中，由于傳輸線上存在駐波，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有三種：

頻譜分析儀測量；

吸收式功率測量；

通過式功率測量。

1.頻譜分析儀測量

頻譜分析儀(以下簡稱頻譜儀)是一種基礎(chǔ)的頻域測試測量儀器，下圖為采用數(shù)字中頻技術(shù)頻譜儀的基本工作原理。被測信號經(jīng)過低通濾波器后進(jìn)入混頻器，與同時進(jìn)入混頻器的本地振蕩器信號進(jìn)行混頻。由于混頻器是非線性器件，所以會產(chǎn)生互調(diào)信號，落入濾波器的信號經(jīng)過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(shù)測量時，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(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)——DANL(Displayed Average Noise Level)，中文“顯示平均噪聲電平”。圖5為測量一個頻率999MHz，功率-130dBm的信號結(jié)果，信號清晰可見，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，動態(tài)范圍可達(dá)190 dB！而目前市面上功率計最大動態(tài)范圍基本上都在100 dB以內(nèi)，如：

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。如圖6，圖7。

4)頻譜儀可以同時測量多載頻信號，觀察信號頻譜儀分布。

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(shè)備，其工作原理如下圖(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(gòu)成，功率計內(nèi)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)過數(shù)字處理后將功率值顯示到功率計主機(jī)或是電腦軟件中，現(xiàn)在越來越多的顯示部分采用軟件來實(shí)現(xiàn)(如圖9)。

吸收式功率計有以下特點(diǎn)：

1)在常見的微波與射頻功率測量儀器中，吸收式功率計的幅度測量精度是最高的；

2)動態(tài)范圍一般不會超過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(kuò)展測量范圍，則需要外接衰減器；

4)可以測量各種調(diào)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(yàn)室校準(zhǔn)設(shè)備，用來校準(zhǔn)信號源和頻譜儀的應(yīng)用較多。

3.通過式測量

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

通過式功率計的核心器件是定向耦合器，通過測量通過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)通過式功率計可以測量發(fā)射機(jī)與負(fù)載(天線)之間的大功率匹配。

通過本文的介紹可見，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，通過式功率計則更偏向于大功率信號測量。