芯耀
555
功率電平是射頻發(fā)射器的一個(gè)重要參數(shù)。在無線通信中，我們可能會(huì)覺得功率越大越好，但現(xiàn)代無線系統(tǒng)需要精確控制功率電平，以避免對(duì)系統(tǒng)中的其他節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生不必要的干擾，并最大限度地延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。我們需要了解發(fā)射器的功率電平并對(duì)其進(jìn)行精確控制。
功率的基本單位是W，它對(duì)應(yīng)著能量傳輸?shù)乃俾剩?W等于每秒一焦耳。功率測(cè)量值通常用dB來表示，其中dBW是以1W為參考值，而dBm是以1mW為參考值。
一、連續(xù)波（CW）信號(hào)測(cè)量
最基本的功率測(cè)量是確定穩(wěn)定連續(xù)波（CW）信號(hào)中存在的功率。圖1展示了經(jīng)典的射頻功率計(jì)是如何配置的。關(guān)鍵部件是功率傳感器，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與信號(hào)中存在的功率成比例的直流電壓。有各種各樣的傳感器技術(shù)可用于功率測(cè)量，包括熱敏電阻、熱電偶和二極管檢波器。儀器供應(yīng)商通常會(huì)提供多種功率傳感器供選擇，這些傳感器在頻率范圍、靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍和成本方面各不相同。傳感器的輸出通常只是一個(gè)直流電壓，由電壓表電路進(jìn)行測(cè)量，并在顯示屏上呈現(xiàn)給用戶。圖中所示的處理器可以對(duì)功率讀數(shù)進(jìn)行測(cè)量校正和分析。
圖1. 一臺(tái)經(jīng)典的射頻功率計(jì)測(cè)量連續(xù)波射頻信號(hào)的功率。
圖1是通用示意圖，經(jīng)典的射頻功率計(jì)是一種小型臺(tái)式儀器，可連接不同類型的功率傳感器，并顯示測(cè)量結(jié)果。如今，我們也有帶USB接口的緊湊型功率傳感器（圖2），可連接到計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)則充當(dāng)我們的處理和顯示設(shè)備（圖3）。功率傳感器還可以連接到諸如頻譜分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀等大型測(cè)試設(shè)備上，以增強(qiáng)這些設(shè)備的測(cè)量能力。
圖2. 帶USB接口的功率傳感器（圖片來源Keysight）。
?圖3. 帶USB接口的功率傳感器需要配合相應(yīng)處理軟件（圖片來源Keysight）。
有些功率傳感器僅能測(cè)量連續(xù)波信號(hào)，但大多數(shù)能夠測(cè)量更為復(fù)雜的信號(hào)。在無線通信中，各種類型的調(diào)制波形都很重要，而且大多數(shù)功率傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)量這些信號(hào)的平均功率。請(qǐng)注意，這些測(cè)量本質(zhì)上是寬帶測(cè)量，因此信號(hào)中存在的所有成分（載波、諧波、調(diào)制信號(hào)、噪聲）都會(huì)包含在測(cè)量結(jié)果中。
二、脈沖射頻信號(hào)測(cè)量
如果信號(hào)穩(wěn)定，并且我們只想知道平均功率電平，那么簡(jiǎn)單的射頻功率測(cè)量無需特別快的速度。然而，對(duì)于更為復(fù)雜的信號(hào)，我們可能還會(huì)對(duì)其動(dòng)態(tài)功率特性感興趣。圖4展示了對(duì)脈沖射頻信號(hào)的測(cè)量。在這種情況下，功率傳感器必須足夠快速地做出響應(yīng)，以跟蹤信號(hào)功率。傳感器的輸出為p(t)，這是一個(gè)與信號(hào)平均功率成比例的電壓，是時(shí)間的函數(shù)。該信號(hào)由ADC采集，由處理器進(jìn)行處理，并由功率計(jì)顯示出來。圖3同樣是通用示意圖，處理器和顯示功能可以由專用儀器完成，也可以由計(jì)算機(jī)來完成。
圖4. 峰值功率計(jì)可以測(cè)量脈沖射頻信號(hào)的功率。
功率計(jì)跟蹤脈沖射頻信號(hào)的速度存在一定限制。這通常用功率計(jì)的視頻帶寬來描述，它指的是傳感器之后系統(tǒng)的帶寬。功率計(jì)可能還會(huì)規(guī)定測(cè)量的最小上升時(shí)間和下降時(shí)間。
在獲取了p(t)之后，我們可以將其視為一個(gè)脈沖波形，并從中提取波形參數(shù)。圖4展示的脈沖波形邊緣清晰規(guī)整，但圖5呈現(xiàn)的是更符合實(shí)際情況的波形，包含了有限的上升/下降時(shí)間和過沖現(xiàn)象。與高速數(shù)字測(cè)量類似，我們可以從功率波形中計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)的波形特征。
圖5. 這張瞬時(shí)功率圖展示了信號(hào)功率的各種參數(shù)。
峰均功率比可根據(jù)波形的峰值功率和平均功率計(jì)算得出。脈沖重復(fù)間隔，也稱為脈沖重復(fù)時(shí)間，指的是脈沖之間的時(shí)間間隔。脈沖重復(fù)頻率，或脈沖重復(fù)率，是脈沖重復(fù)間隔的倒數(shù)。
峰值功率計(jì)能夠捕捉信號(hào)在特定時(shí)刻的功率。這通常需要一個(gè)觸發(fā)系統(tǒng)，以確保測(cè)量時(shí)間可控且可重復(fù)。
三、寬帶與窄帶信號(hào)測(cè)量
圖1和圖4中所示的功率計(jì)是寬帶設(shè)備，可測(cè)量傳感器整個(gè)頻率范圍內(nèi)的功率。圖4中的系統(tǒng)能夠評(píng)估信號(hào)在特定時(shí)刻的情況，并計(jì)算各種波形參數(shù)。不過，功率傳感器始終是在測(cè)量寬頻譜范圍內(nèi)的功率。
圖6展示了一個(gè)包含多個(gè)頻率成分和噪聲的射頻信號(hào)的頻域表示。寬帶功率傳感器會(huì)測(cè)量信號(hào)中所有頻率的功率，包括諧波、調(diào)制邊帶、雜散響應(yīng)和噪聲。
圖6. 功率測(cè)量可以是寬帶的，也可以是窄帶的，這取決于功率計(jì)的類型和應(yīng)用場(chǎng)景。
相比之下，窄帶功率測(cè)量聚焦于某一特定的頻段，以測(cè)量該頻段內(nèi)的功率。如圖6所示，我們可以使用窄帶測(cè)量來獲取某一條頻譜線（例如載波頻率）的功率。這種類型的測(cè)量會(huì)忽略功率傳感器輸入端存在的其他頻率。
圖7展示了一個(gè)頻率選擇性功率傳感器的框圖。這種測(cè)量設(shè)備類似于頻譜分析儀中使用的調(diào)諧接收器。輸入信號(hào)與本地振蕩器進(jìn)行混頻，產(chǎn)生一個(gè)較低頻率的信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過采樣和數(shù)字處理以實(shí)現(xiàn)所需的測(cè)量。你可以選擇測(cè)量的頻率和帶寬，從而在功率傳感器的能力范圍內(nèi)進(jìn)行任意所需的窄帶測(cè)量。
圖7. 頻率選擇性功率傳感器的方框圖
縮小頻率范圍可提高儀器的靈敏度。寬帶噪聲會(huì)被抑制，測(cè)量的有效本底噪聲會(huì)大幅降低。窄帶測(cè)量能力還支持與頻率相關(guān)的測(cè)量。例如，臨道功率比（ACPR）就是一項(xiàng)重要且常見的無線測(cè)量指標(biāo)（圖8）。
圖8. ACPR指標(biāo)
ACPR是指在指定信道（主信道）的發(fā)射功率與相鄰信道（鄰道）內(nèi)泄漏或產(chǎn)生的無用功率之比。使用窄帶測(cè)量時(shí)，儀器必須捕獲相鄰信道的功率，并將其與期望信道的功率進(jìn)行比較。ACPR通常使用頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)量（圖9），但也可以用頻率選擇性功率計(jì)來測(cè)量。
圖9. 頻譜儀對(duì)ACPR的測(cè)量
那么，哪種功率測(cè)量方法更好呢：寬帶測(cè)量還是窄帶測(cè)量？這取決于你要測(cè)量的參數(shù)。如果你想捕獲信號(hào)中的全部功率，就使用寬帶測(cè)量。如果你想有選擇地測(cè)量特定頻率，那就選擇窄帶測(cè)量設(shè)備。有些儀器既可以進(jìn)行寬帶測(cè)量（使用傳統(tǒng)功率傳感器），也能進(jìn)行窄帶功率測(cè)量（使用類似頻譜分析儀的接收器）。
結(jié)論
乍一看，射頻功率測(cè)量似乎很簡(jiǎn)單：只需將功率計(jì)和傳感器連接到被測(cè)試的信號(hào)上，然后讀取結(jié)果即可。但實(shí)際上，我們需要關(guān)注功率傳感器和功率計(jì)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)我們測(cè)量峰值功率和其他動(dòng)態(tài)特性時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要。窄帶功率傳感器的出現(xiàn)帶來了更大的測(cè)量靈活性，同時(shí)也模糊了射頻功率計(jì)測(cè)量和頻譜分析儀測(cè)量之間的界限。
