面向非專業(yè)的射頻測量技術(shù)基礎(chǔ)

引言

當(dāng)前，基于射頻原理的無線通信產(chǎn)品俯拾即是，其數(shù)量的增長速度也非常驚人。從蜂窩電話和無線PDA，到支持WiFi的筆記本電腦、藍(lán)牙耳機(jī)、射頻身份標(biāo)簽、無線醫(yī)療設(shè)備和ZigBee傳感器，射頻設(shè)備的市場規(guī)模在飛速擴(kuò)大。僅從今年來看，全球制造并銷售的蜂窩電話將高達(dá)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(nèi)容，并懂得選用最適合 的儀器完成這些測試工作。問題是，大多數(shù)從事低頻應(yīng)用(工作頻率在1MHz以下)的工程師不太熟悉高頻的應(yīng)用特點(diǎn)。

射頻術(shù)語：您必須掌握的“工作語言”

忘掉電壓，射頻工程師常用功率

射頻信號的強(qiáng)度千差萬別。隨著信號在自由空間的傳播，單位功率將隨著距離的平方成比例降低，功率的變化常用分貝(dB)來表示。

采用分貝進(jìn)行功率測量也大大簡化了計(jì)算過程。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(yīng)的瓦特?cái)?shù)，其中還給出了移動(dòng)電話的發(fā)射機(jī)發(fā)射功率參考范圍，以及靈敏接收機(jī)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。由于射頻信號通過空氣的傳輸以及受到大氣干擾和其它信號的干擾，到達(dá)接收機(jī)端的信號電平可能變得非常低。接收機(jī)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

常見問題不再是輸入阻抗，而是傳輸線的阻抗失配

在低頻情況下，我們在電路上傳輸電壓的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)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(yīng)用，線纜的長度可能只有波長的四分之一，我們必須把信號傳輸當(dāng)成波來理解。如果波受到阻斷，部分波信號就會(huì)發(fā)生反射。射頻傳輸?shù)哪繕?biāo)就是無損耗地將所有的功率傳給負(fù)載。任何功率的反射就意味著傳給負(fù)載功率的損失。因此，失配是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。電路元件和傳輸線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(yīng)的瓦特?cái)?shù)其中還給出了移動(dòng)電話的發(fā)射機(jī)發(fā)射功率參考范圍以及靈敏接收機(jī)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(yīng)用中，傳輸線一般都采用同軸電纜，它們相對于電路板和電路板內(nèi)的微帶線路而言都是外部組件。這些組件具有自己的特征阻抗。傳輸線的特征阻抗取決于導(dǎo)線的幾何結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線的屬性以及包裹或隔離導(dǎo)線的絕緣體。對于射頻應(yīng)用來說，傳輸線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(tǒng)內(nèi)的功率傳輸，而75歐姆的阻抗用于實(shí)現(xiàn)最小的衰減，例如有線電視網(wǎng)系統(tǒng)。大部分射頻無線傳輸系統(tǒng)都是針對功率傳輸而進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的，因此特征阻抗都是50歐姆。

為了盡量減少反射，無線測試與測量應(yīng)用中的射頻線纜和組件都是基于50歐姆特征阻抗而設(shè)計(jì)的。相反，當(dāng)阻抗匹配時(shí)，就實(shí)現(xiàn)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?shù)搅硪环N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(dāng)由于阻抗不連續(xù)而發(fā)生信號發(fā)射時(shí)，就會(huì)在傳輸線的兩個(gè)方向上出現(xiàn)信號波的傳輸。在這兩個(gè)波相位相同的點(diǎn)上，將出現(xiàn)最大的電壓幅值Vmax;在它們相位相差180度的點(diǎn)上，將出現(xiàn) Vmin。Vmax和Vmin的比值稱為電壓駐波比，即VSWR。VSWR是衡量某個(gè)連接器或某條線纜的阻抗是否接近50歐姆的一個(gè)指標(biāo)。圖3給出了理想情況下全匹配(沒有反射)、理想開路(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、線纜和元件

帶BNC連接器的電纜通常在500MHz以上就開始衰減。在射頻領(lǐng)域，電纜通常配備N型連接器和SMA連接器。N型連接器常用在測試儀器上，因?yàn)樗鼈兎浅Ｄ陀茫梢蕴幚砀吖β?，能夠很好地工作在高達(dá)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。過分的彎曲電纜以及明顯的90度折彎都會(huì)損壞電纜，嚴(yán)重地降低傳輸性能。

在低頻情況下，良好的連接就是指導(dǎo)線之間要相互接觸(簡單的連續(xù)性)。而在射頻情況下，阻抗失配是很嚴(yán)重的問題，意味著良好的連接不僅要確保導(dǎo)線相互接觸，而且要求連接器也要正確的扭轉(zhuǎn)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)語稱為插入損耗)。

在整個(gè)測試系統(tǒng)中保證50歐姆的傳輸線

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單。保證整個(gè)電路通路阻抗匹配，減小阻抗不連續(xù)和信號反射是非常關(guān)鍵的。射頻開關(guān)的制作都采用精密加工，以確保整個(gè)開關(guān)都是50歐姆的阻抗。為了實(shí)現(xiàn)并行通路，人們采用所謂的分路器或分離器之類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(xiàn)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(fù)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。

您需要什么樣的射頻儀器以滿足您的測試需求?

低頻測試儀器正不斷豐富普及，射頻測試儀器的種類也越來越多，應(yīng)用越來越廣泛，包括從信號源和功率計(jì)，到頻譜和網(wǎng)絡(luò)分析儀等各種儀器。這些儀器用于產(chǎn)生射頻信號，以及測量大量信號參數(shù)。

射頻功率計(jì)——射頻領(lǐng)域的數(shù)字萬用表

功率是射頻領(lǐng)域中最經(jīng)常被測量的一個(gè)量。測量功率最簡單的方法就是使用功率計(jì)，它實(shí)際上是用來

測量射頻信號功率的。功率計(jì)中使用寬帶檢波器，按瓦特、dBm、或者dB μV顯示絕對功率的大小。對于大多數(shù)功率計(jì)而言，寬帶檢波器(或《傳感器)是一個(gè)射頻肖特基二極管或者二極管網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)射頻到直流的轉(zhuǎn)換處理。

功率計(jì)是所有測量功率的射頻儀器中最準(zhǔn)確的。高端功率計(jì)(通常需要一個(gè)外部功率傳感器)可以實(shí)現(xiàn)0.1dB或更高的測量精度。功率計(jì)最低可以測量 -70dBm(100pW)的功率。傳感器有各種模型，從高功率模型、高頻率(40GHz)模型，到峰值功率測量的高帶寬模型等。

功率計(jì)有單通道和雙通道兩種。每個(gè)通道都需要配置自己的傳感器。兩個(gè)通道的功率計(jì)就能夠測量出一個(gè)器件、電路或系統(tǒng)的輸入和輸出功率，并計(jì)算出增益或損耗。

某些功率計(jì)能夠達(dá)到每秒200到1500次讀數(shù)的測量速度。而有些功率計(jì)能夠測量多種信號的峰值功率特性，包括通信和某些應(yīng)用中使用的調(diào)制信號和脈沖射頻信號。雙通道的功率計(jì)還能夠準(zhǔn)確測量出相對功率。功率計(jì)還可以針對便攜式應(yīng)用的需要設(shè)計(jì)成尺寸精巧的外形，使其更適合于現(xiàn)場測試的需要。

功率計(jì)的主要局限在于其幅值測量范圍。頻率范圍是與測量量程之間進(jìn)行折衷的。此外，功率計(jì)雖然能夠非常準(zhǔn)確地測量出功率，但是無法表示信號的頻率分量。

射頻頻譜或射頻信號分析儀——射頻工程師的示波器

頻譜或矢量信號分析儀利用窄帶檢測技術(shù)在頻域內(nèi)測量射頻信號。其主要的輸出顯示是功率頻譜與頻率之間的關(guān)系，包括絕對功率和相對功率。這種分析儀還可以輸出解調(diào)信號。

頻譜分析儀和矢量信號分析儀沒有像功率計(jì)那樣的精確性，但是，射頻分析儀中使用的窄帶檢測技術(shù)使其能夠測量低達(dá)-150dBm的功率。射頻分析儀的精度一般在±0.5dB以上。

頻譜和矢量信號分析儀可以測量的信號頻率從1kHz到40GHz(甚至以上)。頻率范圍越寬，分析儀的成本就越大。最常見的分析儀的頻率達(dá)到3GHz。工作在5.8GHz頻率范圍的新通信標(biāo)準(zhǔn)就需要帶寬為6GHz以上的分析儀。

矢量信號分析儀是增加了信號處理功能的頻譜分析儀，它不僅能夠測量信號的幅值，而且能夠?qū)⑿盘柗纸獬伤耐嗪驼环至俊Ｊ噶啃盘柗治鰞x可以將某些調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)，例如一些由移動(dòng)電話、無線LAN設(shè)備和基于其他一些新通信標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備所產(chǎn)生的調(diào)制信號。矢量信號分析儀可以顯示星座圖、碼域圖和調(diào)制質(zhì)量(例如誤差矢量幅度)的計(jì)算度量。

傳統(tǒng)的頻譜分析儀是掃描-調(diào)諧式設(shè)備，因?yàn)槠渲械木植空袷幤饕獟呙枰粋€(gè)頻率范圍，窄帶濾波器就可以獲取該頻率范圍內(nèi)每個(gè)單位頻率上的功率分量。矢量信號分析儀也掃描一部分頻譜，但是它們捕捉一定寬帶內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換得到單位頻率上的功率分量。因此矢量信號分析儀掃描頻譜的速度比頻譜分析儀快得多。

評價(jià)矢量信號分析儀性能的關(guān)鍵指標(biāo)在于它的測量帶寬。一些新的高帶寬通信標(biāo)準(zhǔn)，例如WLAN和WiMax，需要捕捉帶寬為20MHz的信號。要想捕捉并分析這些信號，分析儀必須具有足夠大的帶寬才能捕捉到整個(gè)信號。如果測試高帶寬、數(shù)字調(diào)制的信號，那么要確保分析儀的測量帶寬能夠充分捕捉到所測的信號。

頻譜分析儀可以用于檢驗(yàn)待測發(fā)射機(jī)是否產(chǎn)生了正確的功率頻譜。如果設(shè)計(jì)工程要求測試某些失真分量，例如諧波或寄生信號，那么就需要采用頻譜分析儀或矢量信號分析儀。類似的，如果設(shè)計(jì)者關(guān)注器件的噪聲功率，那么也需要使用這樣的射頻分析儀。其他一些需要頻譜分析儀或矢量信號分析儀的例子包括：測試互調(diào)失真、三階截?cái)唷⒐β史糯笃骰蚬β示w管的1dB增益壓縮、器件的頻率響應(yīng)等。

測試那些涉及數(shù)字調(diào)制信號的發(fā)射機(jī)或放大器就需要使用矢量信號分析儀，對調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)。矢量信號分析儀能夠測量出某個(gè)器件產(chǎn)生了多大的調(diào)制失真。解調(diào)過程是一個(gè)復(fù)雜、計(jì)算密集的過程。能夠快速進(jìn)行解調(diào)和測量計(jì)算操作的矢量信號分析儀就可以大大縮短測試時(shí)間，降低測試成本。

射頻信號源

所有的射頻信號源都能產(chǎn)生連續(xù)(CW)射頻正弦波信號。某些信號發(fā)生器也能夠產(chǎn)生模擬調(diào)制射頻信號(如AM信號或脈沖射頻信號)，矢量信號發(fā)生器采用IQ調(diào)制器產(chǎn)生各種模擬或數(shù)字調(diào)制信號。

射頻信號源進(jìn)一步可以分成很多種，包括固定頻率CW正弦波輸出源、掃描輸出一個(gè)頻段非固定頻率CW正弦波的掃頻源、模擬信號發(fā)生器以及增加模擬和數(shù)字調(diào)制功能的矢量信號發(fā)生器。

如果測試需要激勵(lì)信號，那么就需要射頻信號源。射頻信號源的關(guān)鍵指標(biāo)是頻率與幅值范圍、幅值精度和調(diào)制質(zhì)量(對于產(chǎn)生調(diào)制信號的信號源而言)。頻率調(diào)諧速度和幅值穩(wěn)定時(shí)間對于減少測試時(shí)間也是非常關(guān)鍵的。

矢量信號發(fā)生器是一種高性能的信號源，通常結(jié)合任意波形發(fā)生器一起產(chǎn)生某些調(diào)制信號。通過任意波形發(fā)生器可以使矢量信號發(fā)生器產(chǎn)生任意類型的模擬或數(shù)字調(diào)制信號。這種發(fā)生器可以在內(nèi)部產(chǎn)生多種基帶波形，在某些情況下，也可以在外部產(chǎn)生某種基帶波形然后載入到儀器中。如果測試規(guī)范要求被測的元件、設(shè)備或系統(tǒng)按照待測設(shè)備最終使用中的處理調(diào)制方式進(jìn)行測試，那么這種情況下通常需要使用矢量信號發(fā)生器。

如果測試規(guī)范需要進(jìn)行接收器靈敏度測試、誤碼率測試、相鄰信道抑制、雙音互調(diào)抑制、或雙音互調(diào)失真的測試，那么也需要使用射頻信號源。雙音互調(diào)測試和相鄰信道抑制測試需要兩個(gè)信號源，接收器靈敏度測試和/或誤碼率測試只需要使用一個(gè)射頻信號源。

如果待測器件是用于移動(dòng)電話的，那么測試者可能要根據(jù)移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)的需要進(jìn)行調(diào)制信號類型的測試。移動(dòng)電話功率放大器需要結(jié)合調(diào)制信號源(例如矢量信號發(fā)生器)進(jìn)行測試。在選擇某種矢量信號發(fā)生器之前，要評估一下該信號發(fā)生器在不同調(diào)制信號之間的切換速度，以確保其能夠提供最快的測試時(shí)間。

網(wǎng)絡(luò)分析儀

除了頻譜分析儀和矢量信號分析儀，第三類分析儀就是網(wǎng)絡(luò)分析儀。網(wǎng)絡(luò)分析儀包含一個(gè)內(nèi)置的射頻信號源和一個(gè)測試射頻器件的寬帶(或窄帶)探測器。網(wǎng)絡(luò)分析儀以x-y坐標(biāo)、極坐標(biāo)或史密斯圓圖的形式輸出顯式器件的特性。

從本質(zhì)上來看，網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的是器件的S參數(shù)。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以提供幅值和相位信息，可以以很高的精度判斷這些器件在某個(gè)寬頻段上的傳輸損耗與增益。通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，還可以測量出回波損耗(反射系數(shù))和阻抗匹配，進(jìn)行相位測量和群延遲測量。

網(wǎng)路分析儀主要用于分析諸如濾波器和放大器之類的元件。值得注意的是，網(wǎng)絡(luò)分析采用的是未經(jīng)調(diào)制的連續(xù)波，分析儀的校準(zhǔn)十分重要。利用制造商提供的校準(zhǔn)工具包可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)。

由于網(wǎng)絡(luò)分析儀在一臺(tái)儀器內(nèi)集成了信號源和測量功能，而且分析儀具有較寬的頻率范圍，因此這類儀器的價(jià)格比較昂貴。

典型應(yīng)用

需要同時(shí)使用四種主要的射頻測試儀器的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例就是功率放大器(PA)的測試。

信號源可以提供輸入信號，功率計(jì)或頻譜分析儀可以測量輸出功率。如果精度非常重要，例如在測量最大功率時(shí)，那么就需要使用功率計(jì)進(jìn)行輸出測量。

PA的輸入匹配對于從事射頻發(fā)射器的設(shè)計(jì)者來說是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。放大所有供給PA的功率，不因反射而損耗實(shí)際的功率，這是非常重要的。因此，PA制造商都會(huì)指明并測量PA的回波損耗(即S11)，這是網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測量出的。另外，如果僅僅需要測量標(biāo)量幅值，那么可以通過一個(gè)耦合器將一個(gè)信號源和一個(gè)頻譜分析儀(或功率計(jì))結(jié)合起來，測量反射功率的幅值。相比使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來看，這種方法唯一的缺點(diǎn)就是配置過程更加復(fù)雜，需要使用額外的無源射頻元件。對于回波損耗標(biāo)量的測量，功率計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的功率測量。

對于輸入阻抗與輸出阻抗(一般為50歐姆)不匹配的負(fù)載，PA向這樣的負(fù)載傳輸功率的能力是衡量該P(yáng)A在真實(shí)條件下性能的一個(gè)重要指標(biāo)，因?yàn)樵谡鎸?shí)條件下負(fù)載(例如天線)不一定恰好具有50歐姆的特性輸入阻抗。在這種情況下，非 50歐姆的電阻負(fù)載就會(huì)切換到該P(yáng)A的輸出端。這種負(fù)載將迫使PA輸出高達(dá)20:1的VSWR(理想匹配的情況下，50歐的負(fù)載將會(huì)得到將近1:1的 VSWR)。PA必須能夠正確工作，在存在大量反射功率的情況下為負(fù)載提供一些功率。

某些輸出測量需要進(jìn)行頻譜分析。用于廣播或移動(dòng)電話領(lǐng)域(或者其他符合FCC規(guī)定的應(yīng)用)的射頻PA要求在PA工作頻道的相鄰頻道內(nèi)不能產(chǎn)生多余的功率。對相鄰信道功率、互調(diào)失真和諧波失真的測量就是測量PA在真正傳輸信道之外所產(chǎn)生的功率。對于這些測量而言，動(dòng)態(tài)范圍、在存在大信號(例如載波信號)的情況下測量小信號的能力就成為頻譜分析儀的一項(xiàng)重要指標(biāo)。例如，如果某個(gè)PA的指標(biāo)表明它的相鄰信道功率(對于某類調(diào)制機(jī)制，或者對于某種特殊的移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn))是60dBc(載波下分貝)，那么該頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍(在所需的測試條件下)必定比諧波功率、相鄰信道功率或互調(diào)分量的最小容許功率至少大6dB。

鄰信道功率必須采用調(diào)制信號進(jìn)行測量，也就是說必須考慮信號源的鄰信道性能。信號源的鄰信道功率輸出必須比功率放大器產(chǎn)生的最大容許鄰信道功率至少小6dB。

對于諧波的測量，分析儀的頻率范圍必須比該P(yáng)A的最大工作頻率(3dB帶寬頻率)大三倍，以充分捕捉最大工作頻率的三次諧波功率。此外，頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍和本底噪聲必須至少比待測值低6dB，才能很好的測量三次諧波分量;必須具有合理的信噪比，才能實(shí)現(xiàn)精確和可復(fù)現(xiàn)的測量。諧波測量顯示的是PA產(chǎn)生的失真大小。過多的失真會(huì)對調(diào)制性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

當(dāng)不同頻率的信號或不同頻率的信號分量成為PA輸入時(shí)，互調(diào)失真就決定了PA產(chǎn)生了多少失真。產(chǎn)生這樣的測試信號需要兩個(gè)信號源。而一個(gè)雙輸出的信號源是不夠用的，因?yàn)樗膬蓚€(gè)輸出信號之間沒有充分的隔離。信號源會(huì)產(chǎn)生自身的互調(diào)失真，這會(huì)導(dǎo)致過高放大器失真測量，帶來測量結(jié)果的錯(cuò)誤。

針對移動(dòng)電話市場和某些市場領(lǐng)域(例如WLAN應(yīng)用)而設(shè)計(jì)的PA也經(jīng)常要進(jìn)行調(diào)制質(zhì)量的測試，在這些應(yīng)用領(lǐng)域中一般采用比較復(fù)雜的調(diào)制機(jī)制。這類測試通常要測量誤差矢量幅值(EVM)。

結(jié)束語

上述對主要射頻理論的簡要介紹旨在幫助讀者回顧一下相關(guān)知識(shí)。這些對射頻測試儀器的概述將為讀者針對測試的需求選擇合適的測試儀器提供一些總體上的指導(dǎo)。在大多數(shù)情況下，測試者將會(huì)用到這四種測試儀器中的一種或幾種：信號源、功率計(jì)、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀。