基于多通道二極管功率探頭實現(xiàn)精確功率測量

長期以來，功率計都是由功率計主機(jī)和經(jīng)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(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過放大，然后數(shù)字化，并在主機(jī)中顯示。

此類功率計中，功率探頭和功率計主機(jī)之間是純模擬傳輸。這種方法的優(yōu)點是可以為當(dāng)前的任務(wù)選擇合適的功率探頭，而不需要新的功率計主機(jī)。但是其固有的缺點是功率探頭不能獨立工作，沒有主機(jī)則無法使用。

然而，隨著元器件日益微型化，以及現(xiàn)在小型、節(jié)能處理器的性能不斷提升，情況已經(jīng)改變。同時，現(xiàn)在能夠?qū)⒐β视嬛谱鞒尚⌒?、集成單元，并且可通過標(biāo)準(zhǔn)的 USB接口直接將其連接到PC或功率計主機(jī)。這種情況下，主機(jī)不進(jìn)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(yōu) 點：集成的功率計不再由多個組件構(gòu)成，能夠在制造過程中對整個功率計進(jìn)行特性描述。這就不需要像傳統(tǒng)方法那樣，在測量前使用參考信號校準(zhǔn)探頭和主機(jī)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(nèi)部進(jìn)行的，而且功率探頭現(xiàn)在僅需在信號幅度非常小的時候進(jìn)行調(diào)零。

探頭技術(shù)

功率計可基于不同技術(shù)制造，這些技術(shù)覆蓋的頻率范圍可擴(kuò)展到100GHz以上，功率范圍從100pW到幾十W。

當(dāng)今，在功率計中主要采用以下技術(shù)：

• 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(shù)檢波的連續(xù)波探頭

熱耦探頭使用電阻將輸入的射頻功率轉(zhuǎn)換成熱量。然后根據(jù)這個電阻和它周圍環(huán)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(luò)。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(tài)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(dá) 90dB的動態(tài)范圍。根據(jù)它們的實現(xiàn)方式，某些基于二極管的功率探頭也能夠測量高達(dá)幾十MHz帶寬的功率包絡(luò)。

基于二極管的功率探頭，使用RMS檢波器將射頻信號轉(zhuǎn)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(xiàn)線性關(guān)系。

這個區(qū)域稱為平方律區(qū)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(diào)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(guān)系不再存在。僅當(dāng)信號帶寬小于檢波器帶寬時，可以在這個區(qū)域內(nèi)進(jìn)行精確的功率測量。此外，將每個測量值用于進(jìn)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(tài)范圍的通用功率計時, 為了擴(kuò)展二極管檢波器的優(yōu)勢，需要采用多種技術(shù)。

首先，串聯(lián)連接幾個二極管，形成所謂的“棧”，這將提高10dB•log(N)的動態(tài)范圍，這里的N等于二極管的數(shù)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(jìn)功率探頭。

根據(jù)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(xiàn)通道間平滑過渡。這 種方法有許多優(yōu)點，包括避免信號臺階，由于消除了遲滯有較好的重復(fù)性，以及不中斷測量功率包絡(luò)的能力。此外，在過渡區(qū)S/N比上有高達(dá)6dB的改善。

圖 1：由于通道加權(quán)處理，在過渡區(qū)改善了精度

圖 1是兩個通道的過渡區(qū)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(lán)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(diào)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(dāng)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(qū)域內(nèi)的平滑過渡，得到更快的測量速度和更好的性能。

經(jīng)過大量在多通道二極管功率探頭研發(fā)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(dá)到了熱耦探頭的精度，同時還提供更大的動態(tài)范圍和更快的測量速度。集成功率計的生產(chǎn)使得同時工作的多通道探頭成為現(xiàn)實。

測量精度

探頭的質(zhì)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(biāo)規(guī)定了探頭能達(dá)到的測量精度。因此，熟悉生產(chǎn)廠家的技術(shù)規(guī)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(yīng)注意以下方面：

• 連接器的良好連接

• 調(diào)零時, 必須關(guān)閉射頻信號

• 被測設(shè)備(DUT)良好的阻抗匹配

• 正確設(shè)置射頻頻率

如果用戶來配置測量參數(shù)，必須確保正確設(shè)置所有相關(guān)參數(shù)。最重要的參數(shù)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(yīng)按照生產(chǎn)廠家提供的技術(shù)規(guī)范選擇最佳設(shè)置值。

下面基于來自羅德與施瓦茨公司的RS NRP-Z21為例，得到如下關(guān)系。在這里，將測量5GHz，-40dBm(100nW)的連續(xù)波信號。這里，功率探頭使用最靈敏的測量通道。生產(chǎn)廠家的 數(shù)據(jù)表能夠為給定信號的絕對不確定度提供參考。該數(shù)值包括校準(zhǔn)不準(zhǔn)確，非線性和溫度影響。

在功率探頭技術(shù)規(guī)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(diào)零。

在產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中規(guī)定了噪聲電平與系數(shù), 系數(shù)與預(yù)設(shè)的積分時間有關(guān)。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(shù)sqrt(10.24/Tmeas)。