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五分鐘掌握射頻功率測量方法

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ID:206590 發(fā)表于 2018-3-14 17:31 | 顯示全部樓層 |閱讀模式

自從第一臺(tái)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(gè)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(duì)的大多數(shù)是連續(xù)波、調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相或脈沖信號(hào),這些信號(hào)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(hào)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(hào)(如下圖)的功率與其調(diào)制深度有關(guān),而脈沖信號(hào)的特性是以脈沖寬度和占空比來表達(dá)。對(duì)于以上這些模擬或模擬調(diào)制信號(hào),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。

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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(hào)(如下圖)的包絡(luò)無規(guī)律可循,其最大和最小電平會(huì)隨機(jī)變化,而且變化量很大。為了描述這類信號(hào)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(jì)已經(jīng)無法滿足數(shù)字信號(hào)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。

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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(hào)強(qiáng)度,而不是像時(shí)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(hào)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(jì)都是可以測量射頻功率的,其中功率計(jì)又分為吸收式功率計(jì)與通過式功率計(jì)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(hào)經(jīng)過低通濾波器后進(jìn)入混頻器,與同時(shí)進(jìn)入混頻器的本地振蕩器信號(hào)進(jìn)行混頻。由于混頻器是非線性器件,所以會(huì)產(chǎn)生互調(diào)信號(hào),落入濾波器的信號(hào)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。

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在進(jìn)行射頻功率參數(shù)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(hào),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(gè)頻率999MHz,功率-130dBm的信號(hào)結(jié)果,信號(hào)清晰可見,這是任何功率計(jì)所望塵莫及的。

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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(dá)190 dB!而目前市面上功率計(jì)最大動(dòng)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(hào)的頻率分量,并且可以進(jìn)行窄帶測量。如圖6,圖7。

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

2.吸收式功率測量

吸收式功率計(jì)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(jì))所示。被測信號(hào)首先進(jìn)入功率計(jì),功率計(jì)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(jì)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(hào),經(jīng)過數(shù)字處理后將功率值顯示到功率計(jì)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)。

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吸收式功率計(jì)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(jì)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(hào)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(hào)的頻率分量;

6)不能測量VSWR。

鑒于吸收式功率計(jì)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(hào)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(duì)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(jì)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(jì),很多人會(huì)聯(lián)想到一個(gè)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。

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

1)通過式功率計(jì)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(jì)受到定向耦合器的帶寬限制,測量帶寬相對(duì)頻譜儀與吸收式功率計(jì)要小很多;

4)通過式功率計(jì)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(shì),吸收式功率計(jì)精度最高,通過式功率計(jì)則更偏向于大功率信號(hào)測量。

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