從經(jīng)典方法到集成功率探頭

長(zhǎng)期以來(lái)，功率計(jì)都是由功率計(jì)主機(jī)和經(jīng)電纜連接的外部功率探頭組合在一起。在功率探頭中射頻信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大，然后數(shù)字化，并在主機(jī)中顯示。
此類(lèi)功率計(jì)中，功率探頭和功率計(jì)主機(jī)之間是純模擬傳輸。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以為當(dāng)前的任務(wù)選擇合適的功率探頭，而不需要新的功率計(jì)主機(jī)。但是其固有的缺點(diǎn)是功率探頭不能獨(dú)立工作，沒(méi)有主機(jī)則無(wú)法使用。

然而，隨著元器件日益微型化，以及現(xiàn)在小型、節(jié)能處理器的性能不斷提升，情況已經(jīng)改變。同時(shí)，現(xiàn)在能夠?qū)⒐β视?jì)制作成小型、集成單元，并且可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的USB接口直接將其連接到PC或功率計(jì)主機(jī)。這種情況下，主機(jī)不進(jìn)行任何模擬信號(hào)處理,而是主要用于操作功率計(jì)和顯示測(cè)量值。這種解決方案有顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn)：集成的功率計(jì)不再由多個(gè)組件構(gòu)成，能夠在制造過(guò)程中對(duì)整個(gè)功率計(jì)進(jìn)行特性描述。這就不需要像傳統(tǒng)方法那樣，在測(cè)量前使用參考信號(hào)校準(zhǔn)探頭和主機(jī)了。

此外，信號(hào)處理對(duì)有害的干擾不再那么脆弱，因?yàn)樾盘?hào)處理是在集成元件內(nèi)部進(jìn)行的，而且功率探頭現(xiàn)在僅需在信號(hào)幅度非常小的時(shí)候進(jìn)行調(diào)零。

探頭技術(shù)

功率計(jì)可基于不同技術(shù)制造，這些技術(shù)覆蓋的頻率范圍可擴(kuò)展到100GHz以上，功率范圍從100pW到幾十W。
當(dāng)今，在功率計(jì)中主要采用以下技術(shù)：
• 熱-電檢波器
• 多通道二極管檢波器
• 使用二極管檢波的寬帶或峰值探頭
• 使用二極管檢波并集成對(duì)數(shù)檢波的連續(xù)波探頭

熱耦探頭使用電阻將輸入的射頻功率轉(zhuǎn)換成熱量。然后根據(jù)這個(gè)電阻和它周?chē)h(huán)境間的溫度差計(jì)算出射頻功率。熱耦探頭的主要缺點(diǎn)是測(cè)試速度慢，不能顯示功率包絡(luò)。由于熱耦探頭的工作方式，它僅能夠用于測(cè)量大約300nW以上的功率,動(dòng)態(tài)范圍因此受到限制。基于二極管的功率探頭能夠克服這一缺點(diǎn),可以提供高達(dá)90dB的動(dòng)態(tài)范圍。根據(jù)它們的實(shí)現(xiàn)方式，某些基于二極管的功率探頭也能夠測(cè)量高達(dá)幾十MHz帶寬的功率包絡(luò)。
基于二極管的功率探頭，使用RMS檢波器將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。在功率低于-20dBm以下時(shí)，該檢波器在射頻信號(hào)和輸出電壓之間呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系。

這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為平方律區(qū)域。這里，二極管檢波器的特性多少有些像熱檢波器，并且基本上不受諧波和幅度調(diào)制影響。超出這個(gè)信號(hào)電平，射頻信號(hào)和檢波器輸出電壓之間的線(xiàn)性關(guān)系不再存在。僅當(dāng)信號(hào)帶寬小于檢波器帶寬時(shí)，可以在這個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行精確的功率測(cè)量。此外，將每個(gè)測(cè)量值用于進(jìn)一步計(jì)算前，必須將該值線(xiàn)性化。

解決方案：多通道二極管功率探頭

在制造大動(dòng)態(tài)范圍的通用功率計(jì)時(shí), 為了擴(kuò)展二極管檢波器的優(yōu)勢(shì)，需要采用多種技術(shù)。
首先，串聯(lián)連接幾個(gè)二極管，形成所謂的“棧”，這將提高10dB•log(N)的動(dòng)態(tài)范圍，這里的N等于二極管的數(shù)目。此外，具有不同衰減值的兩條或三條獨(dú)立測(cè)量通道被集成進(jìn)功率探頭。

根據(jù)輸入的射頻電平，探頭選擇性能最佳的通道。通道間可以采用硬切換，但是硬切換會(huì)帶來(lái)遲滯。采用羅德與施瓦茨NRP-Z探頭則可以實(shí)現(xiàn)通道間平滑過(guò)渡。這種方法有許多優(yōu)點(diǎn)，包括避免信號(hào)臺(tái)階，由于消除了遲滯有較好的重復(fù)性，以及不中斷測(cè)量功率包絡(luò)的能力。此外，在過(guò)渡區(qū)S/N比上有高達(dá)6dB的改善。

圖 1：由于通道加權(quán)處理，在過(guò)渡區(qū)改善了精度

圖1是兩個(gè)通道的過(guò)渡區(qū)的測(cè)量不確定度{不確定度}，顯示了硬切換和平滑過(guò)渡兩種情況。藍(lán)色曲線(xiàn)描述靈敏度較高的測(cè)量通道，這個(gè)通道以切換點(diǎn)為測(cè)量上限。在切換點(diǎn)往上，由于諧波或調(diào)制的影響，測(cè)量不確定度迅速增加。紅色曲線(xiàn)描述靈敏度較低的通道這個(gè)通道以切換點(diǎn)為測(cè)量下限，當(dāng)電平降低時(shí)，由于噪聲零點(diǎn)漂移引起該通道的測(cè)量不確定度增加。由于在切換區(qū)域內(nèi)的平滑過(guò)渡，得到更快的測(cè)量速度和更好的性能。

經(jīng)過(guò)大量在多通道二極管功率探頭研發(fā)上的努力，我們?cè)谝欢ǔ潭壬先〉昧顺晒?。今天，這些功率探頭幾乎達(dá)到了熱耦探頭的精度，同時(shí)還提供更大的動(dòng)態(tài)范圍和更快的測(cè)量速度。集成功率計(jì)的生產(chǎn)使得同時(shí)工作的多通道探頭成為現(xiàn)實(shí)。

測(cè)量精度

探頭的質(zhì)量反映在它的測(cè)量精度上。對(duì)于功率探頭，參考條件下的典型指標(biāo)規(guī)定了探頭能達(dá)到的測(cè)量精度。因此，熟悉生產(chǎn)廠(chǎng)家的技術(shù)規(guī)格非常重要，以便確定存在哪些附加誤差來(lái)源會(huì)影響給定信號(hào)類(lèi)型的測(cè)量。用戶(hù)也應(yīng)注意以下方面：
• 連接器的良好連接
• 調(diào)零時(shí), 必須關(guān)閉射頻信號(hào)
• 被測(cè)設(shè)備(DUT)良好的阻抗匹配
• 正確設(shè)置射頻頻率

如果用戶(hù)來(lái)配置測(cè)量參數(shù)，必須確保正確設(shè)置所有相關(guān)參數(shù)。最重要的參數(shù)之一是平均濾波器長(zhǎng)度。增加該濾波器長(zhǎng)度將降低噪聲電平，但會(huì)增加測(cè)量時(shí)間。應(yīng)按照生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的技術(shù)規(guī)范選擇最佳設(shè)置值。

下面基于來(lái)自羅德與施瓦茨公司的R&S NRP-Z21為例，得到如下關(guān)系。在這里，將測(cè)量5GHz，-40dBm(100nW)的連續(xù)波信號(hào)。這里，功率探頭使用最靈敏的測(cè)量通道。生產(chǎn)廠(chǎng)家的數(shù)據(jù)表能夠?yàn)榻o定信號(hào)的絕對(duì)不確定度提供參考。該數(shù)值包括校準(zhǔn)不準(zhǔn)確，非線(xiàn)性和溫度影響。

在功率探頭技術(shù)規(guī)格表中不同通道的零點(diǎn)漂移值不相同，靈敏度最高的通道零點(diǎn)漂移值為100 pW，在本例中可以忽略這個(gè)誤差因子。因此，不需要手動(dòng)調(diào)零。
在產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中規(guī)定了噪聲電平與系數(shù), 系數(shù)與預(yù)設(shè)的積分時(shí)間有關(guān)。用戶(hù)可以按照積分時(shí)間來(lái)計(jì)算噪聲電平，這里噪聲電平還需乘以系數(shù)sqrt(10.24/Tmeas)。

對(duì)于幅度調(diào)制信號(hào)，積分時(shí)間應(yīng)當(dāng)是信號(hào)周期的整數(shù)倍。如果周期未知或可變，用鐘形曲線(xiàn)乘以積分窗口，精度可以獲得明顯的提高。R&S NRP-Z 功率探頭的這項(xiàng)技術(shù)也叫“平滑”。在圖2中，舉例說(shuō)明了設(shè)置不同測(cè)量時(shí)間對(duì)測(cè)量精度的影響。

圖2：測(cè)量一個(gè)激活時(shí)隙、突發(fā)功率0 dBm的GSM信號(hào)，積分時(shí)間為10ms或準(zhǔn)確周期長(zhǎng)度

對(duì)于重復(fù)信號(hào)，總是需要至少在兩個(gè)積分窗口上測(cè)量。這使得探頭硬件能夠在兩個(gè)相鄰測(cè)量之間轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)的極性。這個(gè)技術(shù)稱(chēng)為“斬波”。它有效地消除了模擬信號(hào)處理中，伴隨1/f噪聲影響的偏移電壓。

失配

最后，還有一個(gè)在現(xiàn)實(shí)中往往總是被忽略的主題：失配。
功率探頭和被測(cè)設(shè)備之間的失配通常對(duì)能達(dá)到的測(cè)量精度有極大影響。功率探頭在出廠(chǎng)前經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，因此它總是顯示入射功率的幅度。這個(gè)校準(zhǔn)考慮了內(nèi)部損耗，以及反射功率的幅度。
如果連接的信號(hào)源是理想的，由功率探頭反射回去的功率將完全被吸收。在這種情況，顯示的結(jié)果是正確的。

然而，實(shí)際的信號(hào)源會(huì)將反射回來(lái)的功率的一部分再次反射回到功率探頭。這個(gè)分量被疊加在信號(hào)源發(fā)射的功率上面，并根據(jù)相位角引起測(cè)量結(jié)果變大或變小。

圖3：功率計(jì)顯示入射波(Pi)的功率

由于失配引起的測(cè)量誤差可使用下式大致估算：

源(ΓG)或負(fù)載(ΓL)的復(fù)數(shù)反射系數(shù)的幅度可根據(jù)它們的電壓駐波比(VSWR)計(jì)算：

如果功率探頭的VSWR為1.15，當(dāng)它與VSWR為1.6的被測(cè)設(shè)備一起使用時(shí)，由于二者的VSWR失配將引起±0.14 dB或±3.1 %的誤差。這一誤差已經(jīng)高于前面例子中功率探頭指標(biāo)規(guī)定的絕對(duì)不確定度。

有幾種方法可幫助避免這種誤差：
• 使用盡可能匹配的功率探頭
• 優(yōu)化源匹配，如果需要，可插入小數(shù)值的衰減器
• 使用伽瑪修正得到準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果

在最簡(jiǎn)單情況下，可通過(guò)插入3 dB到10 dB的衰減器改善被測(cè)設(shè)備的匹配。僅此將把失配引起的誤差減少到1/2至1/10 。
如果被測(cè)設(shè)備的復(fù)數(shù)反射系數(shù)已知，也可以在數(shù)值上修正測(cè)量結(jié)果。因?yàn)樘筋^的反射系數(shù)在出廠(chǎng)前的參數(shù)測(cè)量中得到，，現(xiàn)在，用戶(hù)所必須做的是確定被測(cè)設(shè)備的反射系數(shù)，并將其提供給功率探頭, R&S NRP-Z功率探頭自動(dòng)完成修正。

小結(jié)

射頻功率精確測(cè)量首先需要選擇正確的測(cè)量?jī)x器。當(dāng)既要求快速又要求精確測(cè)量時(shí)尤其是如此，這是自動(dòng)化生產(chǎn)環(huán)境下的現(xiàn)實(shí)情況。
經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展，已經(jīng)涌現(xiàn)出大量尺寸小、堅(jiān)固和高精度的集成功率計(jì)產(chǎn)品。尤其是多通道二極管功率探頭在許多應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛使用。它們提供了接近熱耦探頭的精度，并且精度基本上與信號(hào)的調(diào)制類(lèi)型無(wú)關(guān)。此外，在所有商用功率計(jì)中擁有最大的動(dòng)態(tài)范圍。