面向非專業(yè)的射頻測量技術(shù)基礎(chǔ)

引言

當(dāng)前，基于射頻原理的無線通信產(chǎn)品俯拾即是，其數(shù)量的增長速度也非常驚人。從蜂窩電話和無線PDA，到支持WiFi的筆記本電腦、藍(lán)牙耳機(jī)、射頻身份標(biāo)簽、無線醫(yī)療設(shè)備和ZigBee傳感器，射頻設(shè)備的市場規(guī)模在飛速擴(kuò)大。僅從今年來看，全球制造并銷售的蜂窩電話將高達(dá)8.5億多只。

要想進(jìn)行全面的生產(chǎn)測試并提高測試產(chǎn)能，測試工程師們必須要理解射頻基本原理，清楚測試的內(nèi)容，并懂得選用最適合 的儀器完成這些測試工作。問題是，大多數(shù)從事低頻應(yīng)用(工作頻率在1MHz以下)的工程師不太熟悉高頻的應(yīng)用特點(diǎn)。

射頻術(shù)語：您必須掌握的“工作語言”

忘掉電壓，射頻工程師常用功率

射頻信號(hào)的強(qiáng)度千差萬別。隨著信號(hào)在自由空間的傳播，單位功率將隨著距離的平方成比例降低，功率的變化常用分貝(dB)來表示。

采用分貝進(jìn)行功率測量也大大簡化了計(jì)算過程。增益

和損耗都按分貝為單位進(jìn)行加減。因此，乘法操作簡化為加法操作。dB的形式化定義為：

dB = 10 log (Pout/Pin)

分貝dB是一個(gè)相對的值。另一個(gè)相關(guān)的單位是毫瓦分貝dBm，它是相對于1mW的絕對功率。圖1給出了dBm的值及其相應(yīng)的瓦特?cái)?shù)，其中還給出了移動(dòng)電話的發(fā)射機(jī)發(fā)射功率參考范圍，以及靈敏接收機(jī)所能檢測到的最低信號(hào)功率。圖2給出的等式定義了室溫下射頻信號(hào)的理論熱噪聲。由于射頻信號(hào)通過空氣的傳輸以及受到大氣干擾和其它信號(hào)的干擾，到達(dá)接收機(jī)端的信號(hào)電平可能變得非常低。接收機(jī)常常需要檢測低于0.1pW的信號(hào)(或者低于微伏的信號(hào)電平)。

Noise Floor：本底噪聲

常見問題不再是輸入阻抗，而是傳輸線的阻抗失配

在低頻情況下，我們在電路上傳輸電壓的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最小的衰減幅度。其中，最有效的電路是輸入阻抗高而輸出阻抗低的電路。對于射頻應(yīng)用，線纜的長度可能只有波長的四分之一，我們必須把信號(hào)傳輸當(dāng)成波來理解。如果波受到阻斷，部分波信號(hào)就會(huì)發(fā)生反射。射頻傳輸?shù)哪繕?biāo)就是無損耗地將所有的功率傳給負(fù)載。任何功率的反射就意味著傳給負(fù)載功率的損失。因此，失配是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。電路元件和傳輸線之間的任何阻抗差異都會(huì)引起反射和功率損耗。

圖1給出了dBm的值及其相應(yīng)的瓦特?cái)?shù)其中還給出了移動(dòng)電話的發(fā)射機(jī)發(fā)射功率參考范圍以及靈敏接收機(jī)所能檢測到的最低信號(hào)功率

圖2給出的等式定義了室溫下射頻信號(hào)的理論熱噪聲

在射頻應(yīng)用中，傳輸線一般都采用同軸電纜，它們相對于電路板和電路板內(nèi)的微帶線路而言都是外部組件。這些組件具有自己的特征阻抗。傳輸線的特征阻抗取決于導(dǎo)線的幾何結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線的屬性以及包裹或隔離導(dǎo)線的絕緣體。對于射頻應(yīng)用來說，傳輸線的特征阻抗以及各組件的輸入和輸出阻抗通常采用50歐姆或75歐姆。 50歐姆的阻抗用于優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)的功率傳輸，而75歐姆的阻抗用于實(shí)現(xiàn)最小的衰減，例如有線電視網(wǎng)系統(tǒng)。大部分射頻無線傳輸系統(tǒng)都是針對功率傳輸而進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的，因此特征阻抗都是50歐姆。

為了盡量減少反射，無線測試與測量應(yīng)用中的射頻線纜和組件都是基于50歐姆特征阻抗而設(shè)計(jì)的。相反，當(dāng)阻抗匹配時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了最佳的功率傳輸。

如果某個(gè)信號(hào)波從一種特征阻抗傳輸?shù)搅硪环N不同的特征阻抗，那么就會(huì)引起信號(hào)反射和反向傳輸。如果阻抗相同，就不會(huì)發(fā)生反射。當(dāng)由于阻抗不連續(xù)而發(fā)生信號(hào)發(fā)射時(shí)，就會(huì)在傳輸線的兩個(gè)方向上出現(xiàn)信號(hào)波的傳輸。在這兩個(gè)波相位相同的點(diǎn)上，將出現(xiàn)最大的電壓幅值Vmax;在它們相位相差180度的點(diǎn)上，將出現(xiàn) Vmin。Vmax和Vmin的比值稱為電壓駐波比，即VSWR。VSWR是衡量某個(gè)連接器或某條線纜的阻抗是否接近50歐姆的一個(gè)指標(biāo)。圖3給出了理想情況下全匹配(沒有反射)、理想開路(100%反射)，以及極端情況下這三個(gè)值之間的關(guān)系。

圖3給出了理想情況下全匹配理想開路以及極端情況下這三個(gè)值之間的關(guān)系

Return Loss：回波損耗

Reflected Power：反射功率

熟悉掌握新型的連接器、線纜和元件

帶BNC連接器的電纜通常在500MHz以上就開始衰減。在射頻領(lǐng)域，電纜通常配備N型連接器和SMA連接器。N型連接器常用在測試儀器上，因?yàn)樗鼈兎浅Ｄ陀?，可以處理高功率，能夠很好地工作在高達(dá)18GHz的頻率下。SMA連接器比N型連接器小得多，比N連接器的功率更低，但是可以很好地用于 18GHz以上的頻率下。

所有的射頻電纜都是同軸的。同軸射頻電纜可以是不可彎曲的(即剛性的)、可彎曲一定程度的(即半剛性的)，或者可彎曲的。對于射頻而言，我們要比低頻情況下更小心地對待電纜。過分的彎曲電纜以及明顯的90度折彎都會(huì)損壞電纜，嚴(yán)重地降低傳輸性能。

在低頻情況下，良好的連接就是指導(dǎo)線之間要相互接觸(簡單的連續(xù)性)。而在射頻情況下，阻抗失配是很嚴(yán)重的問題，意味著良好的連接不僅要確保導(dǎo)線相互接觸，而且要求連接器也要正確的扭轉(zhuǎn)在一起。因此，射頻制造商常采用7英尺磅大小的扭矩，以確保連接器之間具有很好的接觸和最小的電阻(射頻術(shù)語稱為插入損耗)。

在整個(gè)測試系統(tǒng)中保證50歐姆的傳輸線

射頻電路中的并行連接或者多信號(hào)通路并不像低頻電路中的那樣簡單。保證整個(gè)電路通路阻抗匹配，減小阻抗不連續(xù)和信號(hào)反射是非常關(guān)鍵的。射頻開關(guān)的制作都采用精密加工，以確保整個(gè)開關(guān)都是50歐姆的阻抗。為了實(shí)現(xiàn)并行通路，人們采用所謂的分路器或分離器之類的器件將一條輸入信號(hào)通路分成兩條或多條輸出通路，每條通路50歐姆。組合器則實(shí)現(xiàn)相反的作用，將多條輸入通路合并成一條輸出通路。如果您是首次接觸射頻測試，那么不要被這些復(fù)雜的情況所嚇倒。射頻元件比同樣的直流元件成本要高得多。