一文讓你成為射頻功率測(cè)量專(zhuān)家

在無(wú)線電發(fā)展初期，測(cè)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(如圖1)調(diào)頻或調(diào)相信號(hào)的功率測(cè)量都是很簡(jiǎn)單，只需要測(cè)量其平均功率;調(diào)幅信號(hào)(如圖2)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(lái)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(cè)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(kāi)始快速發(fā)展，射頻功率測(cè)量的重點(diǎn)也開(kāi)始有些變化。因?yàn)閿?shù)字調(diào)制信號(hào)(如圖3)的包絡(luò)無(wú)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(lèi)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(wú)法滿(mǎn)足數(shù)字信號(hào)功率的測(cè)量要求，一部分功率測(cè)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(cè)量方法，在此之前我們還需要明確一件事——在頻域測(cè)試測(cè)量中，為什么習(xí)慣以功率來(lái)描述信號(hào)強(qiáng)度，而不是像時(shí)域測(cè)試測(cè)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(lái)表示，國(guó)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(cè)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(guò)式功率計(jì)兩種。

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

射頻功率的測(cè)量方法：

· 頻譜分析儀測(cè)量

· 吸收式功率測(cè)量

· 通過(guò)式功率測(cè)量

1、頻譜分析儀測(cè)量

頻譜分析儀(以下簡(jiǎn)稱(chēng)頻譜儀)是一種基礎(chǔ)的頻域測(cè)試測(cè)量?jī)x器，圖4為采用數(shù)字中頻技術(shù)頻譜儀的基本工作原理。被測(cè)信號(hào)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(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(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(shù)測(cè)量時(shí)，頻譜儀具有以下特點(diǎn)：

1)頻譜儀可以測(cè)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”，例如RIGOL公司DSA875該指標(biāo)可達(dá)-161dBm/Hz，圖5為DSA875測(cè)量一個(gè)頻率999MHz，功率-130dBm的信號(hào)結(jié)果，信號(hào)清晰可見(jiàn)，這是任何功率計(jì)所望塵莫及的。

2)頻譜儀有很大的幅度測(cè)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?xún)?nèi)，如：

德國(guó)某公司NRP8S： –70 dBm 到+23 dBm

美國(guó)某公司U2041XA： –70 dBm 到+26 dBm

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

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

2、吸收式功率測(cè)量

吸收式功率計(jì)是常用的微波與射頻功率測(cè)量設(shè)備，其工作原理如圖8(二極管檢波器功率計(jì))所示。被測(cè)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(cè)量通道組成，分別測(cè)量不同功率大小的信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(lái)越多的顯示部分采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)(如圖9)。

吸收式功率計(jì)有以下特點(diǎn)：

1)在常見(jiàn)的微波與射頻功率測(cè)量?jī)x器中，吸收式功率計(jì)的幅度測(cè)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(cè)量大功率，通常測(cè)量上限在+30 dBm(1 W)左右，如果需要擴(kuò)展測(cè)量范圍，則需要外接衰減器;

4)可以測(cè)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(cè)量信號(hào)的頻率分量;

6)不能測(cè)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(lái)校準(zhǔn)信號(hào)源和頻譜儀的應(yīng)用較多。

3、通過(guò)式測(cè)量

通過(guò)式功率測(cè)量是對(duì)吸收式功率測(cè)量法的一種擴(kuò)展應(yīng)用，解決了吸收式功率計(jì)測(cè)量大功率和VSWR的局限性。通過(guò)式功率測(cè)量最大的意義就是可以測(cè)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(guò)式功率計(jì)，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(yīng)用。

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

1)通過(guò)式功率計(jì)具有大功率測(cè)量能力;

2)不能測(cè)量幅度很小的功率;

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

4)通過(guò)式功率計(jì)可以測(cè)量發(fā)射機(jī)與負(fù)載(天線)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(cè)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(guò)式功率計(jì)則更偏向于大功率信號(hào)測(cè)量。