詳解如何實(shí)現(xiàn)精確測量多通道二極管功率探頭功率

1、詳解如何實(shí)現(xiàn)精確測量多通道二極管功率探頭功率來源：大比特商務(wù)網(wǎng)摘要：經(jīng)過近些年的發(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)制類型無關(guān)。此外，在所有商用功率計(jì)中擁有最大的動(dòng)態(tài)范圍。關(guān)鍵字：功率計(jì),元器件,處理器,功率探頭,二極管長期以來，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)過放大，然后數(shù)字化，并在主機(jī)中顯示。此類功率計(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，

2、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，沒有主機(jī)則無法使用。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)和顯示測量值。這種解決方案有顯而易見的優(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

3、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)電阻和它周圍環(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，它僅能夠用于測量大約300nW以上的功率,動(dòng)態(tài)范圍因此受到限制?；诙O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

4、的實(shí)現(xiàn)方式，某些基于二極管的功率探頭也能夠測量高達(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)線性關(guān)系。這個(gè)區(qū)域稱為平方律區(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)行精確的功率測量。此外，將每個(gè)測量值用于進(jìn)一步計(jì)算前，必須將該值線性化。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

5、用多種技術(shù)。首先，串聯(lián)連接幾個(gè)二極管，形成所謂的“?！?，這將提高10dBlog(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，以及不中斷測量功率包絡(luò)的能力。此外，在過渡區(qū)S/N比上有高達(dá)6dB的改善。圖1：由于通道加權(quán)處理，在過渡區(qū)改善了精度圖1是兩個(gè)通道的過渡區(qū)的測量不確定度不確定度，顯示了硬切換和平滑過渡兩種情況。藍(lán)色曲線描

6、述靈敏度較高的測量通道，這個(gè)通道以切換點(diǎn)為測量上限。在切換點(diǎn)往上，由于諧波或調(diào)制的影響，測量不確定度迅速增加。紅色曲線描述靈敏度較低的通道這個(gè)通道以切換點(diǎn)為測量下限，當(dāng)電平降低時(shí)，由于噪聲零點(diǎn)漂移引起該通道的測量不確定度增加。由于在切換區(qū)域內(nèi)的平滑過渡，得到更快的測量速度和更好的性能。經(jīng)過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)。測量精度探頭的質(zhì)量反映在它的測量精度上。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)到的測量精度。因此

7、，熟悉生產(chǎn)廠家的技術(shù)規(guī)格非常重要，以便確定存在哪些附加誤差來源會(huì)影響給定信號(hào)類型的測量。用戶也應(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)被測設(shè)備(DUT)良好的阻抗匹配正確設(shè)置射頻頻率如果用戶來配置測量參數(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度。增加該濾波器長度將降低噪聲電平，但會(huì)增加測量時(shí)間。應(yīng)按照生產(chǎn)廠家提供的技術(shù)規(guī)范選擇最佳設(shè)置值。下面基于來自羅德與施瓦茨公司的R&SNRP-Z21為例，得到如下關(guān)系。在這里，將測量5GHz，-40dBm(100nW)的連續(xù)波信號(hào)。這里，功率探頭使用最靈敏的測量通道。生產(chǎn)廠家的數(shù)據(jù)表能夠?yàn)榻o定信號(hào)的絕對(duì)不確定

8、度提供參考。該數(shù)值包括校準(zhǔn)不準(zhǔn)確，非線性和溫度影響。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100pW，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)。用戶可以按照積分時(shí)間來計(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，用鐘形曲線乘以積分窗口，精度可以獲得明顯的提高。R&SNRP-Z功率探頭的這項(xiàng)技術(shù)也叫“平滑”。在圖2中，舉例說明了設(shè)置不同測量時(shí)間對(duì)測量精度的影響。圖2：測量一個(gè)激活時(shí)

9、隙、突發(fā)功率0dBm的GSM信號(hào)，積分時(shí)間為10ms或準(zhǔn)確周期長度對(duì)于重復(fù)信號(hào)，總是需要至少在兩個(gè)積分窗口上測量。這使得探頭硬件能夠在兩個(gè)相鄰測量之間轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)的極性。這個(gè)技術(shù)稱為“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。功率探頭和被測設(shè)備之間的失配通常對(duì)能達(dá)到的測量精度有極大影響。功率探頭在出廠前經(jīng)過校準(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)將反射回來的功率

10、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量誤差可使用下式大致估算：源(G)或負(fù)載(L)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的被測設(shè)備一起使用時(shí)，由于二者的VSWR失配將引起±0.14dB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)確測量結(jié)果在最簡單情況下，可通過插入3dB到10dB的衰減器改善被測設(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)值上修正測量結(jié)果。因?yàn)樘筋^的反射系數(shù)在出廠前的參數(shù)測量中得到，現(xiàn)在，用戶所必須做的是確定被測設(shè)備的反射系數(shù)，并將其提供給功率探頭,R&SNRP-Z功率探頭自動(dòng)完成修正。小結(jié)射頻功率精確測量首先需要選擇正確的測量儀器。當(dāng)既要求快速又要求精確測量時(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)過近些年的發(fā)展