在射頻、微波無線系統(tǒng)中準(zhǔn)確的測(cè)量功率是最基本的要求，進(jìn)行功率測(cè)量有多種測(cè)量設(shè)備和測(cè)試方法可以選擇，如功率計(jì)測(cè)量、頻譜測(cè)量等。在實(shí)際測(cè)試工作中，應(yīng)確保每種方法的優(yōu)點(diǎn)和局限性不會(huì)影響測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

本文將探討不同測(cè)試方法之間的差異，一是使用功率計(jì)，二是使用頻譜儀；從連續(xù)波(CW)、multi-tone、調(diào)制信號(hào)（32QAM）和脈沖信號(hào)測(cè)量來比較。

信號(hào)源是用一款比較常見的MXG N5182B，用他出功率為-20dBm @6GHz的信號(hào)。平均功率計(jì)用的是U2000A USB功率計(jì)，峰值功率計(jì)用的是Keysight 8990，頻譜儀使用的是N9938A手持頻譜儀。

測(cè)量CW信號(hào)

CW信號(hào)不攜帶任何信息，因此平均功率和峰值功率相同，信號(hào)沒有帶寬。所以測(cè)量設(shè)備可以使用窄帶濾波器來提高設(shè)備的底噪。

Figure1: (a)頻譜儀(b)功率計(jì)(c)頻譜儀的channel power測(cè)量選件

圖1a是頻譜儀的掃頻，span=500kHz，fc=6G。信號(hào)的峰值功率（也是平均功率）為-20.08dBm。圖1b是USB功率計(jì)測(cè)得的平均功率為-20.00dBm。圖7c頻譜儀的channel power測(cè)量選件測(cè)得的平均功率為-20.09dBm。頻譜儀的channel power測(cè)量選件必須為其設(shè)置Occupied bandwidth，即設(shè)置被測(cè)信號(hào)的信道帶寬。在圖1c測(cè)量中，Occupied bandwidth設(shè)置為100kHz。但是連續(xù)波信號(hào)沒有帶寬，Occupied bandwidth可以設(shè)置為任何值。三個(gè)值相差在0.1dB以內(nèi)，其中功率計(jì)具有最高的準(zhǔn)確度或最低的測(cè)量不確定度。

測(cè)量多音信號(hào)

用信號(hào)源出一個(gè)5 tone，spacing=500kHz的多音信號(hào)，再分別連接到以上三種測(cè)試環(huán)境中，得到的結(jié)果如下。

Figure2: (a)頻譜儀(b)功率計(jì)(c)頻譜儀的channel power測(cè)量選件

如果多音信號(hào)的總功率為-20dBm(10μW)，則每個(gè)音的功率是-26.98dBm(2μW)。功率計(jì)將測(cè)量所有五個(gè)音的總功率，如圖2b測(cè)到的是-20.13dBm。圖2c中如果Occupied bandwidth設(shè)置很寬，包含所有五個(gè)音（在這種情況下，Occupied bandwidth至少要達(dá)到2.5MHz），測(cè)量值為20.2dBm。如果Occupied bandwidth小于spacing將只測(cè)到一個(gè)音的功率，測(cè)量值為-27.1dBm，接近單音的理論值-26.98dBm。圖2a中，頻譜可單獨(dú)測(cè)量每個(gè)tone的功率，理論上5個(gè)tone的功率應(yīng)該相等，測(cè)量值為-27dBm（圖1a應(yīng)為-27dBm）。

如果在實(shí)際測(cè)試工作中需要只測(cè)量其中部分tone的功率，由于功率計(jì)沒有頻率選擇性，因此只能使用頻譜儀進(jìn)行單音或特定Occupied bandwidth的測(cè)量，比如只需要測(cè)量基波功率的場(chǎng)景，或測(cè)試IM交調(diào)產(chǎn)物的測(cè)試場(chǎng)景。

測(cè)量一個(gè)數(shù)字調(diào)制信號(hào)（32QAM）

用N5182B出一個(gè)32QAM調(diào)制，symbol rate=5M/s的信號(hào)。功率計(jì)得到的平均功率為-20.00dBm（圖3b），頻譜儀的channel power測(cè)量選件得到的平均功率為-20.07dBm（圖3c）。

Figure3: (a)頻譜儀(b)功率計(jì)(c)頻譜儀的channel power測(cè)量選件

只要信號(hào)的功率電平和頻率范圍在功率計(jì)得傳感器的能力范圍內(nèi)，功率計(jì)就能夠得到帶寬未知的信號(hào)的總功率。頻譜儀的channel power測(cè)量選件的occupied bandwidth必須設(shè)置足夠?qū)挷拍軠?zhǔn)確測(cè)量，因此可以使用頻譜儀來測(cè)到未知信號(hào)的帶寬，然后再將Occupied bandwidth設(shè)置到channel power測(cè)量選件來測(cè)試總功率。

測(cè)量一個(gè)脈沖信號(hào)

脈沖信號(hào)的脈沖寬度（脈沖持續(xù)多長時(shí)間）與脈沖之間的時(shí)間（其周期）之比稱為占空比(DF，占空因子)。在給定重復(fù)脈沖的情況下，此類波形的峰值功率是平均功率除以DF。

圖4是脈沖信號(hào)的頻譜測(cè)量和平均功率計(jì)測(cè)量示例，脈沖寬度為20μs，DF為20%。

Figure4: (a)頻譜儀(b)功率計(jì)(c)頻譜儀的channel power測(cè)量選件

圖4a中的頻譜儀顯示了頻率函數(shù)的典型“sin(x)/x”響應(yīng)，頻域邊帶是1MHz。功率計(jì)得到的是平均功率-27.01dBm。頻譜儀的channel power測(cè)量選件得到的是平均功率為–26.8dBm（圖4c）。

對(duì)于頻譜儀channel power測(cè)量選件，Occupied bandwidth必須設(shè)置為3MHz及以上來抓大部分脈沖波形的邊帶。將Occupied bandwidth增加到3MHz以上不會(huì)改變測(cè)試結(jié)果。可以通過將power offset加7dB(10log(1/DF))來計(jì)算20%DF的此波形的峰值功率。

峰值功率是如何測(cè)量的

平均功率計(jì)的框圖（見圖5），峰值功率計(jì)與平均功率計(jì)的主要差別是峰值功率計(jì)的ADC具有更寬的帶寬和更高的采樣率，以抓到在脈沖和復(fù)雜調(diào)制波形中的快速時(shí)域跳變。

實(shí)際上，典型的峰值功率計(jì)會(huì)通過兩條測(cè)量路徑測(cè)量，分別測(cè)量平均功率和峰值功率。

Figure5: 簡單的峰值功率計(jì)測(cè)量框圖

由于二極管檢波器通常是寬帶的，因此脈沖波形的快速變化包絡(luò)會(huì)體現(xiàn)在二極管的輸出波形中，通過對(duì)二極管輸出電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換和補(bǔ)償即可得到瞬時(shí)功率。

在濾波器之后，峰值功率計(jì)的ADC以高達(dá)1G/s的速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣（Keysight 8990等峰值功率計(jì)），如此高的采樣率用于抓二極管輸出電平的時(shí)域形狀，可以從中得到峰值功率、脈沖寬度、周期、上升時(shí)間和下降時(shí)間等信號(hào)特征，如圖6。

Figure6: 峰值功率計(jì)測(cè)量脈沖信號(hào)

總結(jié)：

1、功率計(jì)不能選擇頻率分量，只能測(cè)到進(jìn)入功率計(jì)的總功率。
2、功率計(jì)的靈敏度不高，功率計(jì)能測(cè)到的最小功率基本在-50dBm~-70dBm（根據(jù)探頭類型不同），在測(cè)量小信號(hào)時(shí)不確定度較大，測(cè)到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過多次平均和平滑。
3、頻譜儀不是專門測(cè)量功率的儀器，頻譜儀與功率計(jì)相比，功率測(cè)量精度較差。但是進(jìn)行雜散或相鄰信道功率測(cè)量時(shí)，則選頻譜儀。