- 基于多通道二極管功率探頭實現(xiàn)精確功率測量

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，但會增加測量時間。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&S NRP-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。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)表能夠為給定信號的絕對不確定度提供參考。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漂移值不相同，靈敏度最高的通道零點漂移值為100 pW，在本例中可以忽略這個誤差因子。因此，不需要手動調(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)的積分時間有關(guān)。用戶可以按照積分時間來計算噪聲電平，這里噪聲電平還需乘以系數(shù)sqrt(10.24/Tmeas)。

對于幅度調(diào)制信號，積分時間應(yīng)當(dāng)是信號周期的整數(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&S NRP-Z 功率探頭的這項技術(shù)也叫“平滑”。在圖2中，舉例說明了設(shè)置不同測量時間對測量精度的影響。

圖2：測量一個激活時隙、突發(fā)功率0 dBm的GSM信號，積分時間為10ms或準(zhǔn)確周期長度

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

失配

最后，還有一個在現(xiàn)實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能達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，實際的信號源會將反射回來的功率的一部分再次反射回到功率探頭。這個分量被疊加在信號源發(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(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，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3 dB到10 dB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。因為探頭的反射系數(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&S NRP-Z功率探頭自動完成修正。

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尤其是如此，這是自動化生產(chǎn)環(huán)境下的現(xiàn)實情況。
經(jīng)過近些年的發(fā)展，已經(jīng)涌現(xiàn)出大量尺寸小、堅固和高精度的集成功率計產(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的調(diào)制類型無關(guān)。此外，在所有商用功率計中擁有最大的動態(tài)范圍。