射頻功率計(jì)——射頻領(lǐng)域的數(shù)字萬(wàn)用表

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

　　測(cè)量射頻信號(hào)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(duì)功率的大小。對(duì)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(cè)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(cè)量精度。功率計(jì)最低可以測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量速度。而有些功率計(jì)能夠測(cè)量多種信號(hào)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(hào)和脈沖射頻信號(hào)。雙通道的功率計(jì)還能夠準(zhǔn)確測(cè)量出相對(duì)功率。功率計(jì)還可以針對(duì)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(chǎng)測(cè)試的需要。

　　功率計(jì)的主要局限在于其幅值測(cè)量范圍。頻率范圍是與測(cè)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(cè)量出功率，但是無(wú)法表示信號(hào)的頻率分量。

　　射頻頻譜或射頻信號(hào)分析儀——射頻工程師的示波器

　　頻譜或矢量信號(hào)分析儀利用窄帶檢測(cè)技術(shù)在頻域內(nèi)測(cè)量射頻信號(hào)。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(duì)功率和相對(duì)功率。這種分析儀還可以輸出解調(diào)信號(hào)。

　　頻譜分析儀和矢量信號(hào)分析儀沒(méi)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(cè)技術(shù)使其能夠測(cè)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(hào)分析儀可以測(cè)量的信號(hào)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(jiàn)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(hào)分析儀是增加了信號(hào)處理功能的頻譜分析儀，它不僅能夠測(cè)量信號(hào)的幅值，而且能夠?qū)⑿盘?hào)分解成它的同相和正交分量。矢量信號(hào)分析儀可以將某些調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，例如一些由移動(dòng)電話、無(wú)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(hào)。矢量信號(hào)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?a target="_blank">振蕩器要掃描一個(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(hào)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(hào)分析儀掃描頻譜的速度比頻譜分析儀快得多。

　　評(píng)價(jià)矢量信號(hào)分析儀性能的關(guān)鍵指標(biāo)在于它的測(cè)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(hào)。要想捕捉并分析這些信號(hào)，分析儀必須具有足夠大的帶寬才能捕捉到整個(gè)信號(hào)。如果測(cè)試高帶寬、數(shù)字調(diào)制的信號(hào)，那么要確保分析儀的測(cè)量帶寬能夠充分捕捉到所測(cè)的信號(hào)。

　　頻譜分析儀可以用于檢驗(yàn)待測(cè)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(cè)試某些失真分量，例如諧波或寄生信號(hào)，那么就需要采用頻譜分析儀或矢量信號(hào)分析儀。類(lèi)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(hào)分析儀的例子包括：測(cè)試互調(diào)失真、三階截?cái)唷?a href="http://www.asorrir.com/tags/功率放大器/" target="_blank">功率放大器或功率晶體管的1dB增益壓縮、器件的頻率響應(yīng)等。

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

　　射頻信號(hào)源

　　所有的射頻信號(hào)源都能產(chǎn)生連續(xù)（CW）射頻正弦波信號(hào)。某些信號(hào)發(fā)生器也能夠產(chǎn)生模擬調(diào)制射頻信號(hào)（如AM信號(hào)或脈沖射頻信號(hào)），矢量信號(hào)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(hào)。

　　射頻信號(hào)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(hào)發(fā)生器以及增加模擬和數(shù)字調(diào)制功能的矢量信號(hào)發(fā)生器。

　　如果測(cè)試需要激勵(lì)信號(hào)，那么就需要射頻信號(hào)源。射頻信號(hào)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(duì)于產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)的信號(hào)源而言）。頻率調(diào)諧速度和幅值穩(wěn)定時(shí)間對(duì)于減少測(cè)試時(shí)間也是非常關(guān)鍵的。

　　矢量信號(hào)發(fā)生器是一種高性能的信號(hào)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(hào)。通過(guò)任意波形發(fā)生器可以使矢量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生任意類(lèi)型的模擬或數(shù)字調(diào)制信號(hào)。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(cè)試規(guī)范要求被測(cè)的

　　元件、設(shè)備或系統(tǒng)按照待測(cè)設(shè)備最終使用中的處理調(diào)制方式進(jìn)行測(cè)試，那么這種情況下通常需要使用矢量信號(hào)發(fā)生器。

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

　　如果待測(cè)器件是用于移動(dòng)電話的，那么測(cè)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(hào)類(lèi)型的測(cè)試。移動(dòng)電話功率放大器需要結(jié)合調(diào)制信號(hào)源（例如矢量信號(hào)發(fā)生器）進(jìn)行測(cè)試。在選擇某種矢量信號(hào)發(fā)生器之前，要評(píng)估一下該信號(hào)發(fā)生器在不同調(diào)制信號(hào)之間的切換速度，以確保其能夠提供最快的測(cè)試時(shí)間。

　　網(wǎng)絡(luò)分析儀

　　除了頻譜分析儀和矢量信號(hào)分析儀，第三類(lèi)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(hào)源和一個(gè)測(cè)試射頻器件的寬帶（或窄帶）探測(cè)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(lái)看，網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)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(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，還可以測(cè)量出回波損耗（反射系數(shù)）和阻抗匹配，進(jìn)行相位測(cè)量和群延遲測(cè)量。

　　網(wǎng)路分析儀主要用于分析諸如濾波器和放大器之類(lèi)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(hào)源和測(cè)量功能，而且分析儀具有較寬的頻率范圍，因此這類(lèi)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(cè)試儀器的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例就是功率放大器（PA）的測(cè)試。

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

　　PA的輸入匹配對(duì)于從事射頻發(fā)射器的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)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(cè)量PA的回波損耗（即S11），這是網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測(cè)量出的。另外，如果僅僅需要測(cè)量標(biāo)量幅值，那么可以通過(guò)一個(gè)耦合器將一個(gè)信號(hào)源和一個(gè)頻譜分析儀（或功率計(jì)）結(jié)合起來(lái)，測(cè)量反射功率的幅值。相比使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)看，這種方法唯一的缺點(diǎn)就是配置過(guò)程更加復(fù)雜，需要使用額外的無(wú)源射頻元件。對(duì)于回波損耗標(biāo)量的測(cè)量，功率計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的功率測(cè)量。

　　對(duì)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(cè)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(duì)相鄰信道功率、互調(diào)失真和諧波失真的測(cè)量就是測(cè)量PA在真正傳輸信道之外所產(chǎn)生的功率。對(duì)于這些測(cè)量而言，動(dòng)態(tài)范圍、在存在大信號(hào)（例如載波信號(hào)）的情況下測(cè)量小信號(hào)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(duì)于某類(lèi)調(diào)制機(jī)制，或者對(duì)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(cè)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(hào)進(jìn)行測(cè)量，也就是說(shuō)必須考慮信號(hào)源的鄰信道性能。信號(hào)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(duì)于諧波的測(cè)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(cè)值低6dB，才能很好的測(cè)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(cè)量。諧波測(cè)量顯示的是PA產(chǎn)生的失真大小。過(guò)多的失真會(huì)對(duì)調(diào)制性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

　　當(dāng)不同頻率的信號(hào)或不同頻率的信號(hào)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(cè)試信號(hào)需要兩個(gè)信號(hào)源。而一個(gè)雙輸出的信號(hào)源是不夠用的，因?yàn)樗膬蓚€(gè)輸出信號(hào)之間沒(méi)有充分的隔離。信號(hào)源會(huì)產(chǎn)生自身的互調(diào)失真，這會(huì)導(dǎo)致過(guò)高放大器失真測(cè)量，帶來(lái)測(cè)量結(jié)果的錯(cuò)誤。

　　針對(duì)移動(dòng)電話市場(chǎng)和某些市場(chǎng)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(cè)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(lèi)測(cè)試通常要測(cè)量誤差矢量幅值（EVM）。

　　結(jié)束語(yǔ)

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