發(fā)布時(shí)間: 2021-08-23 瀏覽次數(shù): 作者:邁昂科技
自打第一臺無線電發(fā)射機(jī)誕生之日起,技術(shù)工程師們就開始關(guān)心射頻功率精確測量問題,知道今天這仍然是個(gè)熱門話題。不管是在實(shí)驗(yàn)室,產(chǎn)線上還是教學(xué)中,功率精確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)波調(diào)頻或調(diào)相信號的功率精確測量都是很簡單,只需要精確測量其平均功率;調(diào)幅信號的功率與其調(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,射頻功率精確測量所關(guān)心的基本上都是平均功率和峰值功率。
而現(xiàn)如今,特別是20世紀(jì)90年代以后,數(shù)字通信開始快速發(fā)展,射頻功率精確測量的重點(diǎn)也開始有些變化。因?yàn)閿?shù)字調(diào)制信號的包絡(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(jì)已經(jīng)無法滿足數(shù)字信號功率的精確測量要求,其中一部分功率精確測量的任務(wù)已經(jīng)開始由頻譜分析儀來完成。
接下來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——在頻域測試精確測量中,為什么習(xí)慣以功率來描述信號強(qiáng)度,而不是像時(shí)域測試精確測量中常用的電壓和電流?那是因?yàn)樵谏漕l電路中,考慮到傳輸線上存在駐波,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(jì)都是可以精確測量射頻功率的,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。
射頻功率的測量方法:
頻譜分析儀精確測量
吸收式功率精確測量
通過式功率精確測量
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,圖4為采用數(shù)字中頻技術(shù)頻譜儀的基本工作原理。被測信號經(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進(jìn)行混頻。考慮到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(shí),頻譜儀具有以下的特點(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(DisplayedAverageNoiseLevel),中文“顯示平均噪聲電平”,比如說RIGOL公司DSA875該指標(biāo)可達(dá)-161dBm/Hz,圖5為DSA875測量一個(gè)頻率999MHz,功率-130dBm的信號結(jié)果,信號清晰可見的,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量范圍,可以從DANL到安全輸入電平+20dBm甚至+30dBm,動態(tài)范圍可達(dá)190dB!而目前市面上功率計(jì)最大動態(tài)范圍基本上都在100dB以內(nèi),如:
德國某公司NRP8S:–70dBm到+23dBm
美國某公司U2041XA:–70dBm到+26dBm
3)頻譜儀可以測量信號的頻率分量,而且可以進(jìn)行窄帶測量。比如說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。
頻譜儀可以同時(shí)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(jì)是常用的微波與射頻功率測量設(shè)備,其工作原理如圖8(二極管檢波器功率計(jì))所示。被測信號首先進(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,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)。
吸收式功率計(jì)有以下的特點(diǎn):
1)在常用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)動態(tài)范圍一般不會超過100dB;
3)不可以測量大功率,通常測量上限在+30dBm(1W)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(shí)間;
5)不可以像頻譜儀一樣測量信號的頻率分量;
6)不可以測量VSWR。
考慮到吸收式功率計(jì)的這些特點(diǎn),其作為實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)設(shè)備,來用作校準(zhǔn)信號源和頻譜儀的應(yīng)用較多。
3.通過式精確測量
通過式功率精確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(jì)精確測量大功率和VSWR的局限性。通過式功率精確測量最大的意義就是可以精確測量放大器或發(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),很多人會聯(lián)想到一個(gè)產(chǎn)品——Bird43,由Bird公司1952年發(fā)明,迄今為止仍在生成與應(yīng)用。
通過式功率計(jì)的核心器件是定向耦合器,通過精確測量通過功率計(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)具有大功率精確測量能力;
2)不能精確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,精確測量帶寬相對頻譜儀與吸收式功率計(jì)要小很多;
4)通過式功率計(jì)可以精確測量發(fā)射機(jī)與負(fù)載(天線)之間的大功率匹配。
通過這篇文章的介紹可見,在射頻功率精確測量中,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(jì)精度最高,通過式功率計(jì)則更偏向于大功率信號精確測量。
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