射频功率的快速测量法

RF(射频)电磁场充满了音乐和电话对话、寻呼信号、电子邮件和因特网业务的噪音。RF零部件、RF系统以及对RF对功率测量的需求正在扩大到传统的语音通信和无线局域网(WLAN)、码分多址(CDMA)第三代移动通信(G3)手机、长途电话费电子收费系统等应用领域。 便携式RF产品激增导致对RF大大提高了功率测量。在模拟RF在链路方面，传统的测量方法已经使用了几十年。然而，如果使用现代功率计进行此测量，测试人员会发现，在数据记录或数据分析中，更简单的现代传感器和计量器校准，更容易更换传感器和计算机接口RF功率更准确方便。现代化的RF在某些情况下，电池也可以用来供电，使野外测量像实验室一样简单准确。 

数字RF链路，特别是采用扩频调制技术的数字RF链路挑战了传统的测量方法。基于处理器RF功率计可以测量数字链路，而以前用分析仪测量的成本是现在的2~5倍。同时，最复杂的数字RF技术，如CDMA(码分多址)代表未来的发展方向：即制造商必须将RF将功率测量能力放入无线手机和基站，作为RF链路控制的组成部分。这样做会有效利用RF信道利用率，并获得良好的发音质量。 测量方法 测量RF功率有很多好方法。由于频段、功率电平和测量信号的调制技术、精度、范围和成本不同，测量方法也不同。对于传统的模拟信号，RF功率测量，无论是平方根值的测量（rms）还是最大值，都很简单。 热电传感器用于测量大多数简单的概念方法(见图1、参考文献1)。该方法最接近于直接实现平均根值功率的数学定义：交流信号的加热能力与直流信号的加热能力的比较。这里采用缓冲放大器RF激励加热部件输入相同的信号。加热部件的热量与温度传感器(一般采用热电耦合)密切相关，但两者在电气上是隔离的。伺服放大器以平衡的方式激励匹配的一对加热器/传感器，直到直流伺服器传输功率和输入RF直到信号功率相等。 输出电压等于输入电压的平方根值。因此，用户可以使用附加电路在模拟域计算信号功率，即在显示信号仍在数字域之前，附加电路的数据流为：PRF=Vo2/R，其中PRF表示RF功率，Vo表示传感器的输出电压，R表示加热器电阻。 该测量的主要误差来源是绝对电阻、匹配和温度系数的公差。由于绝对电阻是电源计算的转换因素，用户必须根据特定的探测器示例校准平方函数。热电耦的匹配和热传递(从一个单元到另一个单元，或从一种环境到另一种环境，或两个单元之间)会增加误差预算。幸运的是，传感器的精心设计可以最大限度地减少单元之间的热串扰，传感器设计或功率计接口可以包括环境补偿或校准。现有的商用传感器，小型半开式（benchtop）或者手持式功率计可以减少所有误差，有利于精确测量。 热电型RF传感器的一个优点是可以独立正确地计算峰值因子的均方根值(附文"波峰余值"）。而缺点是，热电传感器反应速度较慢，且反应时间不可调，这是由于这种传感器是利用热机械原理而不是利用热电原理决定的。 另一方面，二极管传感器正好颠倒了这两个特性(图2)。峰值检测器和二极管传感器可以从根本上显示可调的电气动态特性，但需要峰值因子的补偿。如果用户使用已知的测试信号或良好的峰值因子估计方法，并且知道传感器和功率计提供什么峰值因子补偿，那么这一特性将使二极管传感器相当便宜和准确。二极管检测器可以将噪音降低到3个数量级，但这些检测器通常局限于300mW小信号测量。 在热电和二极管传感器之间，市场上的小功率计可以适应各种信号频率、动态范围和复杂的波形。低价功率计的样品包括Boonton Electronics 4230A半机架、单信道(4231)系列半开式测量仪A)和双信道测试仪(4232)A)(图3)。根据所选传感器，这些功率计为10kHz～100GHz在频率范围内，可以测量200读数/秒的速率-70~ 44dBm信号功率。4230系列功率计可以自动识别传感器类型(热电耦合或二极管类型)，只能从内置的电可擦可编程中读取存储器(EEPROM)中读校准数据，传输给传感器适配器。4232系列功率计可以在两个信道上同时进行独立的功率测量，并计算其差值和比值。提供两种型号GPIB总线接口；RS-232标准是可选的。这两种功率计的价格/性能与其他仪器相同，但它们都集成在自动测试设备中(ATE) 在环境中，这使得其他旧型号的仪器在使用方便性方面无法与之相比。 Boonton Electric公司还有一个适用的5230系列功率计，增加了10Hz～2.5GHz电压测量能力(图4)的信号。根据所选传感器，当与伴生分频器一起使用时，可测量300V。单信道5231和双信道5232功率计可测电压幅值200μV～10V，传感器的偏移可以自动校正。5232 型功率计还可以同时或独立测量电压和功率。像4230A5230功率计可以从传感器适配器中读取校正数据。 Giga-tronics公司提供3410传感器，内置场可更换A型手持式RF测量范围为1000功率计kHz～2.6GHz(图5)。该仪器的功率测量范围为-60~+20dBm，但是因为传感器有23dBm当输入波形特性不突出且无法控制时，用户应仔细考虑仪器测量能力的上限。3410A将功率计和传感器以及频率计、校准器RS-323接口和镍氢电池组(按使用方式工作3.5~8小时)组装在一起，总重量不到2磅。测量精度达±0.25dB，内置校准器的残留误差包括3σ测量噪声优于200pW(-67dBm)。 定向测量 与端接RF直接连接传感器需要区分发射信号和反射信号(附文"方向耦合器"）。例如，Bird 5000型就是与直连式定向传感器匹配而设计的便携式RF功率计(图6)。根据所选传感器，仪器测量的信号频率为2MHz～3.6GHz，测量功率为1W～1kW，额定精度优于0.25dB。5000型也是一个例子， 它成功地解决了现有大量功率计如何采用集成信号处理技术的问题，以高速测量个人通信系统等各种复杂的波形(PCS)高清电视和峰值因子高达10(HDIV)传统的模拟无线电波形。 由于这些测量方法对基站站操作员和移动用户来说，采用数字调制技术的通信设备市场正在迅速增长。数字调制的扩频系统在单片中调集大量信息和用户RF在频段上，在各种条件下都有良好的接收信号保真度，而传统的模拟方法则无能为力。CDMA这是一个很好的例子。因为它可以使基站和移动系统以最小的传输功率达到规定的信息保真度，所以这种方式特别有吸引力。此外，它还可以使共享信道的用户数量最多。CDMA还允许"软切换"，移动用户可以使多个基站服务。当用户从一个单元移动到另一个服务区时，这些基站在同一载频上工作。尽管CDMA它可能不是无线通信的最终结论，但它用于最大化信道利用率、电池寿命和用户机动性的各种策略也可能出现在未来的通信系统中。

数字功率测量 理论上，用户应该在噪声环境中放置大量的信息。CE香农的限制(参考文献2): C=Bwlog2(1 S/N) 式中Bw以赫兹为单位的信道带宽，C信道容量以每秒比特表示，S是信号功率，N噪声功率。由于RF因此，信道共享是用户在许多应用程序中使用通信广播的唯一方法。CDMA应用越来越广泛的原因之一是在管理信道共享方面明显比较FDMA(频分多址)和TDMA(时间多址)优越。与FDMA和TDMA不同的是，CDMA在容量和话音质量之间，系统可以调整系统性能，得到妥协。这种性能"伸缩性"这些基站和移动平台取决于基站和移动平台的仔细评估RF控制发射的功率RF功率，因为其他用户的所有信号都是噪声功率源，用于操作共享信道上指定的用户信号。 对于给定的信噪比(SNR)以下公式确定共享信道的用户数量(参考文献3): M≈□kBw／R□Eb/No M表示用户数量，□表示功率控制精度因子；Bw表示通道带宽；R表示扩大信号速率；Eb代表比特能量；No表示噪声谱密度；k表示从相邻单元溢出噪声的因素、典型的应用因素（必须不时休息）和实现定向扇单元效益的因素。 就0.5～0.9范围的□就实际价值而言，在控制条件下实现RF对于功率测量和控制，CDMA系统的信号和经济性能非常重要(附文"如何实现对CDMA发射机功率的控制"）。问题是利用几组实现每1.25ms或者更快地更新系统的测量功能，这些都是在数字无线电手机印刷电路板的剩余空间中实现的。

对数放大器的测量方法简单易行 数字无线手机印刷电路板上没有剩余空间。在扩频系统中，只有少数实用的方法通过小电路评估信号功率，其中最著名的是二极管检测器和对数放大器。在产生常数峰值因子波形的合理调制方案中，如QPSK和GMSK二极管检测器最小偏移键控)，二极管检测器电路可以利用峰值因子的补偿。 现有的商业对数放大器IC与二极管检测器相比，动态范围提高了4倍，温度稳定性更好、更小。和二极管检测器一样，对数放大器基本上是电压敏感器，而不是功率敏感器，即使制造商经常使用dBm用功率术语校准电压和功率。因此，两者都受到峰值因素误差的影响，但在对数放大器中，误差本身是截取偏差，因此它本身起着相对简单的补偿作用（参考文献4）。 适合RF测量对数放大器的器件很多，比如Analog Devices公司的AD可用于1000型8314型产品MHz～2.5GHz动态范围为45dB。AD8314型设备的结构是公司的老式设备AD以8313结构为基础，共8个dB的单元。AD8314型结构包括410dB动态范围由单元70个dB减少到45dB，而且牺牲了高频性能，但其功耗降低了3倍，价格降低了一半。 AD8314型在发射机控制应用中还具有吸引力的特点：直流电压直接与输入除正常输出信号外RF信号振幅对数成正比，第二个输出V_DN相反的极性信号和两倍的斜率是一种偏移，所以在零信号中，它只需要2.25V电压，并对不断增加的输入信号来说，有所降低(图7)。将V_DN信号连接到发射机功率放大器上的增益控制端口RF输出信号(返回AD取样8134输入端，将形成闭环电源控制系统。该方案从一个数/模转换器开始(DAC)或另外的息源取得直流设定点信号，以设置输出功率。

攀登测试成功的制高点 不幸的是，当用2个以上倍频程变化的峰值因子测量CDMA信号时，二极管检测器和对数放大器都不能很好地执行测量任务。例如，就二极管检测器和对数放大器的测量与实验室热电传感器的测量作个比较(参考文献5)。一个峰值因子为3.5的测试CDMA的信号，仿真反向链路， 二极管检测器中产生的误差是2dB，对数放大器中产生的误差是3.5dB。峰值因子为16时,测试前向链路信号，二者的误差都超过5dB。 Analog Devices公司的另一种产品是AD8361均方根值/直流变换器，作为对CDMA中由峰值因子范围引起的问题的解决方案而得到了极大关注，并能在高达2.5GHz频率范围内的各种RF功率测量应用方面找到用武之地。在30dB范围内，正弦波误差仅2dB时，用一个IS-95 CDMA反向链路测试信号时,AD8361只产生0.2dB多一点的误差，而对前向链路信号测量误差也只有1dB多一点。没有其他的方法能以同样的成本、规模或功耗接近这一测量性能。 正如许多难度较大的测量一样，在实验室评估RF功率的方法可以有多种多样。了解每一种方法的局限性对评估测量数据是至关重要的。基于宽带IC的小型器件，如AD8361，有助于进行半敞开式诊断测量，与可描绘的仪器测量法相结合，还有助于建立传输标准。

要点 •RF传感器性能可决定整个测量系统的性能。 •数字RF链路的测量增加了测量的复杂性和难度。 •新的仪器使计量器和分析仪之间的区别日益缩小,使选择更复杂。 •数字调制技术，如CDMA(码分多址)正推动RF功率测量更上一层楼。但芯片制造商对这一挑战才刚刚开始作出反应。