從經典方法到集成功率探頭

長期以來，功率計都是由功率計主機和經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被轉換成電壓信號，經過放大，然后數字化，并在主機中顯示。
此類功率計中，功率探頭和功率計主機之間是純模擬傳輸。這種方法的優點是可以為當前的任務選擇合適的功率探頭，而不需要新的功率計主機。但是其固有的缺點是功率探頭不能獨立工作，沒有主機則無法使用。

然而，隨著元器件日益微型化，以及現在小型、節能處理器的性能不斷提升，情況已經改變。同時，現在能夠將功率計制作成小型、集成單元，并且可通過標準的USB接口直接將其連接到PC或功率計主機。這種情況下，主機不進行任何模擬信號處理,而是主要用于操作功率計和顯示測量值。這種解決方案有顯而易見的優點：集成的功率計不再由多個組件構成，能夠在制造過程中對整個功率計進行特性描述。這就不需要像傳統方法那樣，在測量前使用參考信號校準探頭和主機了。

此外，信號處理對有害的干擾不再那么脆弱，因為信號處理是在集成元件內部進行的，而且功率探頭現在僅需在信號幅度非常小的時候進行調零。

探頭技術

功率計可基于不同技術制造，這些技術覆蓋的頻率范圍可擴展到100GHz以上，功率范圍從100pW到幾十W。
當今，在功率計中主要采用以下技術：
• 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數檢波的連續波探頭

熱耦探頭使用電阻將輸入的射頻功率轉換成熱量。然后根據這個電阻和它周圍環境間的溫度差計算出射頻功率。熱耦探頭的主要缺點是測試速度慢，不能顯示功率包絡。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,動態范圍因此受到限制。基于二極管的功率探頭能夠克服這一缺點,可以提供高達90dB的動態范圍。根據它們的實現方式，某些基于二極管的功率探頭也能夠測量高達幾十MHz帶寬的功率包絡。
基于二極管的功率探頭，使用RMS檢波器將射頻信號轉換成電壓信號。在功率低于-20dBm以下時，該檢波器在射頻信號和輸出電壓之間呈現線性關系。

這個區域稱為平方律區域。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制影響。超出這個信號電平，射頻信號和檢波器輸出電壓之間的線性關系不再存在。僅當信號帶寬小于檢波器帶寬時，可以在這個區域內進行精確的功率測量。此外，將每個測量值用于進一步計算前，必須將該值線性化。

解決方案：多通道二極管功率探頭

在制造大動態范圍的通用功率計時, 為了擴展二極管檢波器的優勢，需要采用多種技術。
首先，串聯連接幾個二極管，形成所謂的“棧”，這將提高10dB•log(N)的動態范圍，這里的N等于二極管的數目。此外，具有不同衰減值的兩條或三條獨立測量通道被集成進功率探頭。

根據輸入的射頻電平，探頭選擇性能最佳的通道。通道間可以采用硬切換，但是硬切換會帶來遲滯。采用羅德與施瓦茨NRP-Z探頭則可以實現通道間平滑過渡。這種方法有許多優點，包括避免信號臺階，由于消除了遲滯有較好的重復性，以及不中斷測量功率包絡的能力。此外，在過渡區S/N比上有高達6dB的改善。

圖 1：由于通道加權處理，在過渡區改善了精度

圖1是兩個通道的過渡區的測量不確定度{不確定度}，顯示了硬切換和平滑過渡兩種情況。藍色曲線描述靈敏度較高的測量通道，這個通道以切換點為測量上限。在切換點往上，由于諧波或調制的影響，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通道以切換點為測量下限，當電平降低時，由于噪聲零點漂移引起該通道的測量不確定度增加。由于在切換區域內的平滑過渡，得到更快的測量速度和更好的性能。

經過大量在多通道二極管功率探頭研發上的努力，我們在一定程度上取得了成功。今天，這些功率探頭幾乎達到了熱耦探頭的精度，同時還提供更大的動態范圍和更快的測量速度。集成功率計的生產使得同時工作的多通道探頭成為現實。

測量精度

探頭的質量反映在它的測量精度上。對于功率探頭，參考條件下的典型指標規定了探頭能達到的測量精度。因此，熟悉生產廠家的技術規格非常重要，以便確定存在哪些附加誤差來源會影響給定信號類型的測量。用戶也應注意以下方面：
• 連接器的良好連接
• 調零時, 必須關閉射頻信號
• 被測設備(DUT)良好的阻抗匹配
• 正確設置射頻頻率

如果用戶來配置測量參數，必須確保正確設置所有相關參數。最重要的參數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。應按照生產廠家提供的技術規范選擇最佳設置值。

下面基于來自羅德與施瓦茨公司的R&S NRP-Z21為例，得到如下關系。在這里，將測量5GHz，-40dBm(100nW)的連續波信號。這里，功率探頭使用最靈敏的測量通道。生產廠家的數據表能夠為給定信號的絕對不確定度提供參考。該數值包括校準不準確，非線性和溫度影響。

在功率探頭技術規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，不需要手動調零。
在產品數據表中規定了噪聲電平與系數, 系數與預設的積分時間有關。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sqrt(10.24/Tmeas)。

對于幅度調制信號，積分時間應當是信號周期的整數倍。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也叫“平滑”。在圖2中，舉例說明了設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、突發功率0 dBm的GSM信號，積分時間為10ms或準確周期長度

對于重復信號，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換模擬信號的極性。這個技術稱為“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，還有一個在現實中往往總是被忽略的主題：失配。
功率探頭和被測設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過校準，因此它總是顯示入射功率的幅度。這個校準考慮了內部損耗，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射的功率上面，并根據相位角引起測量結果變大或變小。

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)或負載(ΓL)的復數反射系數的幅度可根據它們的電壓駐波比(VSWR)計算：

如果功率探頭的VSWR為1.15，當它與VSWR為1.6的被測設備一起使用時，由于二者的VSWR失配將引起±0.14 dB或±3.1 %的誤差。這一誤差已經高于前面例子中功率探頭指標規定的絕對不確定度。

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
• 優化源匹配，如果需要，可插入小數值的衰減器
• 使用伽瑪修正得到準確測量結果

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 。
如果被測設備的復數反射系數已知，也可以在數值上修正測量結果。因為探頭的反射系數在出廠前的參數測量中得到，，現在，用戶所必須做的是確定被測設備的反射系數，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

射頻功率精確測量首先需要選擇正確的測量儀器。當既要求快速又要求精確測量時尤其是如此，這是自動化生產環境下的現實情況。
經過近些年的發展，已經涌現出大量尺寸小、堅固和高精度的集成功率計產品。尤其是多通道二極管功率探頭在許多應用領域得到廣泛使用。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制類型無關。此外，在所有商用功率計中擁有最大的動態范圍。