三分鐘讓您成為射頻功率測量專家

自從第一台無線電發射機誕生之日起，工程師們就開始關心射頻功率測量問題，知道今天這依然是個熱門話題。無論是在實驗室，產線上還是教學中，功率測量都是必不可少的。

在無線電發展初期，測試工程師所面對的大多數是連續波、調幅、調頻、調相或脈衝信號，這些信號都是有規律可循的。例如，連續波(如圖1)調頻或調相信號的功率測量都是很簡單，只需要測量其平均功率;調幅信號(如圖2)的功率與其調製深度有關，而脈衝信號的特性是以脈衝寬度和占空比來表達。對於以上這些模擬或模擬調製信號，射頻功率測量所關心的基本上都是平均功率和峰值功率。

而現在，特別是20世紀90年代以後，數字通信開始快速發展，射頻功率測量的重點也開始有些變化。因為數字調製信號(如圖3)的包絡無規律可循，其最大和最小電平會隨機變化，而且變化量很大。為了描述這類信號的特徵，引入了一些新的描述方法，如領道功率，突發功率，通道功率等。很多傳統的功率計已經無法滿足數字信號功率的測量要求，一部分功率測量的任務已經開始由頻譜分析儀來完成。

下面我們介紹常見的幾種射頻功率測量方法，在此之前我們還需要明確一件事——在頻域測試測量中，為什麼習慣以功率來描述信號強度，而不是像時域測試測量中常用的電壓和電流?那是因為在射頻電路中，由於傳輸線上存在駐波，電壓和電流失去了唯一性，所以射頻信號的大小一般用功率來表示，國際通用的功率單位為W，mW，dBm。

頻譜分析儀和功率計都是可以測量射頻功率的，其中功率計又分為吸收式功率計與通過式功率計兩種。

同樣是功率測量，不同的測試儀器和測試方法所關注的重點是不同的。

射頻功率的測量方法：

· 頻譜分析儀測量

· 吸收式功率測量

· 通過式功率測量

1、頻譜分析儀測量

頻譜分析儀(以下簡稱頻譜儀)是一種基礎的頻域測試測量儀器，圖4為採用數字中頻技術頻譜儀的基本工作原理。被測信號經過低通濾波器後進入混頻器，與同時進入混頻器的本地振蕩器信號進行混頻。由於混頻器是非線性器件，所以會產生互調信號，落入濾波器的信號經過ADC，再依次進入中頻濾波器，包絡檢波器，視頻濾波器，視頻檢波器，最後將軌跡顯示在屏幕上。

在進行射頻功率參數測量時，頻譜儀具有以下特點：

1)頻譜儀可以測量極小幅度的射頻信號，這取決於頻譜儀的一項關鍵指標-DANL(Displayed Average Noise Level),中文「顯示平均雜訊電平」，例如RIGOL公司DSA875該指標可達-161dBm/Hz，圖5為DSA875測量一個頻率999MHz，功率-130dBm的信號結果，信號清晰可見，這是任何功率計所望塵莫及的。

2)頻譜儀有很大的幅度測量範圍，可以從DANL到安全輸入電平+20 dBm甚至+30dBm，動態範圍可達190 dB!而目前市面上功率計最大動態範圍基本上都在100 dB以內，如：

德國某公司NRP8S: –70 dBm 到+23 dBm

美國某公司U2041XA: –70 dBm 到+26 dBm

3)頻譜儀可以測量信號的頻率分量，並且可以進行窄帶測量。例如RIGOL公司的DSA875具備的信道功率與領道功率等高級測量功能，如圖6，圖7。

4)頻譜儀可以同時測量多載頻信號，觀察信號頻譜儀分布。

2、吸收式功率測量

吸收式功率計是常用的微波與射頻功率測量設備，其工作原理如圖8(二極體檢波器功率計)所示。被測信號首先進入功率計，功率計電路可採用熱敏電阻，熱電偶或二極體檢波器等不同方式構成，功率計內部由3路測量通道組成，分別測量不同功率大小的信號，經過數字處理後將功率值顯示到功率計主機或是電腦軟體中，現在越來越多的顯示部分採用軟體來實現(如圖9)。

吸收式功率計有以下特點：

1)在常見的微波與射頻功率測量儀器中，吸收式功率計的幅度測量精度是最高的;

2)動態範圍一般不會超過100 dB;

3)不能測量大功率，通常測量上限在+30 dBm(1 W)左右，如果需要擴展測量範圍，則需要外接衰減器;

4)可以測量各種調製信號的平均功率、峰值功率、突發功率、脈衝寬度、上升/下降時間;

5)不能像頻譜儀一樣測量信號的頻率分量;

6)不能測量VSWR。

鑒於吸收式功率計的這些特點，其作為實驗室校準設備，用來校準信號源和頻譜儀的應用較多。

3、通過式測量

通過式功率測量是對吸收式功率測量法的一種擴展應用，解決了吸收式功率計測量大功率和VSWR的局限性。通過式功率測量最大的意義就是可以測量放大器或發射機在大功率狀態下與負載的匹配。提到通過式功率計，很多人會聯想到一個產品——Bird 43(圖10)，由Bird公司1952年發明，至今仍在生成與應用。

通過式功率計的核心器件是定向耦合器，通過測量通過功率計的正向功率與反射功率計算出VSWR，這種測量方法有以下特點：

1)通過式功率計具有大功率測量能力;

2)不能測量幅度很小的功率;

3)通過式功率計受到定向耦合器的帶寬限制，測量帶寬相對頻譜儀與吸收式功率計要小很多;

4)通過式功率計可以測量發射機與負載(天線)之間的大功率匹配。

通過本文的介紹可見，在射頻功率測量中，頻譜儀在靈活性，適用範圍具有先天的優勢，吸收式功率計精度最高，通過式功率計則更偏向於大功率信號測量。

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