- 探究面向非專業(yè)的射頻測量技術(shù)基礎(chǔ)
- 采用分貝進(jìn)行功率測量
- 針對(duì)測試的需求選擇合適的測試儀器
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)。
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(duì)的值。另一個(gè)相關(guān)的單位是毫瓦分貝dBm，它是相對(duì)于1mW的絕對(duì)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(duì)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。
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圖2給出的等式定義了室溫下射頻信號(hào)的理論熱噪聲
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(duì)于射頻而言，我們要比低頻情況下更小心地對(duì)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。
您需要什么樣的射頻儀器以滿足您的測試需求？
低頻測試儀器正不斷豐富普及，射頻測試儀器的種類也越來越多，應(yīng)用越來越廣泛，包括從信號(hào)源和功率計(jì)，到頻譜和網(wǎng)絡(luò)分析儀等各種儀器。這些儀器用于產(chǎn)生射頻信號(hào)，以及測量大量信號(hào)參數(shù)。
射頻功率計(jì)——射頻領(lǐng)域的數(shù)字萬用表
功率是射頻領(lǐng)域中最經(jīng)常被測量的一個(gè)量。測量功率最簡單的方法就是使用功率計(jì)，它實(shí)際上是用來
測量射頻信號(hào)功率的。功率計(jì)中使用寬帶檢波器，按瓦特、dBm、或者dB μV顯示絕對(duì)功率的大小。對(duì)于大多數(shù)功率計(jì)而言，寬帶檢波器（或<傳感器）是一個(gè)射頻肖特基二極管或者二極管網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)射頻到直流的轉(zhuǎn)換處理。
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功率計(jì)是所有測量功率的射頻儀器中最準(zhǔn)確的。高端功率計(jì)（通常需要一個(gè)外部功率傳感器）可以實(shí)現(xiàn)0.1dB或更高的測量精度。功率計(jì)最低可以測量 -70dBm（100pW）的功率。傳感器有各種模型，從高功率模型、高頻率（40GHz）模型，到峰值功率測量的高帶寬模型等。
功率計(jì)有單通道和雙通道兩種。每個(gè)通道都需要配置自己的傳感器。兩個(gè)通道的功率計(jì)就能夠測量出一個(gè)器件、電路或系統(tǒng)的輸入和輸出功率，并計(jì)算出增益或損耗。
某些功率計(jì)能夠達(dá)到每秒200到1500次讀數(shù)的測量速度。而有些功率計(jì)能夠測量多種信號(hào)的峰值功率特性，包括通信和某些應(yīng)用中使用的調(diào)制信號(hào)和脈沖射頻信號(hào)。雙通道的功率計(jì)還能夠準(zhǔn)確測量出相對(duì)功率。功率計(jì)還可以針對(duì)便攜式應(yīng)用的需要設(shè)計(jì)成尺寸精巧的外形，使其更適合于現(xiàn)場測試的需要。
功率計(jì)的主要局限在于其幅值測量范圍。頻率范圍是與測量量程之間進(jìn)行折衷的。此外，功率計(jì)雖然能夠非常準(zhǔn)確地測量出功率，但是無法表示信號(hào)的頻率分量。
射頻頻譜或射頻信號(hào)分析儀——射頻工程師的示波器
頻譜或矢量信號(hào)分析儀利用窄帶檢測技術(shù)在頻域內(nèi)測量射頻信號(hào)。其主要的輸出顯示是功率頻譜與頻率之間的關(guān)系，包括絕對(duì)功率和相對(duì)功率。這種分析儀還可以輸出解調(diào)信號(hào)。
頻譜分析儀和矢量信號(hào)分析儀沒有像功率計(jì)那樣的精確性，但是，射頻分析儀中使用的窄帶檢測技術(shù)使其能夠測量低達(dá)-150dBm的功率。射頻分析儀的精度一般在±0.5dB以上。
頻譜和矢量信號(hào)分析儀可以測量的信號(hào)頻率從1kHz到40GHz（甚至以上）。頻率范圍越寬，分析儀的成本就越大。最常見的分析儀的頻率達(dá)到3GHz。工作在5.8GHz頻率范圍的新通信標(biāo)準(zhǔn)就需要帶寬為6GHz以上的分析儀。
矢量信號(hào)分析儀是增加了信號(hào)處理功能的頻譜分析儀，它不僅能夠測量信號(hào)的幅值，而且能夠?qū)⑿盘?hào)分解成它的同相和正交分量。矢量信號(hào)分析儀可以將某些調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，例如一些由移動(dòng)電話、無線LAN設(shè)備和基于其他一些新通信標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備所產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)。矢量信號(hào)分析儀可以顯示星座圖、碼域圖和調(diào)制質(zhì)量（例如誤差矢量幅度）的計(jì)算度量。
傳統(tǒng)的頻譜分析儀是掃描-調(diào)諧式設(shè)備，因?yàn)槠渲械木植空袷幤饕獟呙枰粋€(gè)頻率范圍，窄帶濾波器就可以獲取該頻率范圍內(nèi)每個(gè)單位頻率上的功率分量。矢量信號(hào)分析儀也掃描一部分頻譜，但是它們捕捉一定寬帶內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換得到單位頻率上的功率分量。因此矢量信號(hào)分析儀掃描頻譜的速度比頻譜分析儀快得多。
評(píng)價(jià)矢量信號(hào)分析儀性能的關(guān)鍵指標(biāo)在于它的測量帶寬。一些新的高帶寬通信標(biāo)準(zhǔn)，例如WLAN和WiMax，需要捕捉帶寬為20MHz的信號(hào)。要想捕捉并分析這些信號(hào)，分析儀必須具有足夠大的帶寬才能捕捉到整個(gè)信號(hào)。如果測試高帶寬、數(shù)字調(diào)制的信號(hào)，那么要確保分析儀的測量帶寬能夠充分捕捉到所測的信號(hào)。
頻譜分析儀可以用于檢驗(yàn)待測發(fā)射機(jī)是否產(chǎn)生了正確的功率頻譜。如果設(shè)計(jì)工程要求測試某些失真分量，例如諧波或寄生信號(hào)，那么就需要采用頻譜分析儀或矢量信號(hào)分析儀。類似的，如果設(shè)計(jì)者關(guān)注器件的噪聲功率，那么也需要使用這樣的射頻分析儀。其他一些需要頻譜分析儀或矢量信號(hào)分析儀的例子包括：測試互調(diào)失真、三階截?cái)?、功率放大器或功率晶體管的1dB增益壓縮、器件的頻率響應(yīng)等。
測試那些涉及數(shù)字調(diào)制信號(hào)的發(fā)射機(jī)或放大器就需要使用矢量信號(hào)分析儀，對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。矢量信號(hào)分析儀能夠測量出某個(gè)器件產(chǎn)生了多大的調(diào)制失真。解調(diào)過程是一個(gè)復(fù)雜、計(jì)算密集的過程。能夠快速進(jìn)行解調(diào)和測量計(jì)算操作的矢量信號(hào)分析儀就可以大大縮短測試時(shí)間，降低測試成本。
射頻信號(hào)源
所有的射頻信號(hào)源都能產(chǎn)生連續(xù)（CW）射頻正弦波信號(hào)。某些信號(hào)發(fā)生器也能夠產(chǎn)生模擬調(diào)制射頻信號(hào)（如AM信號(hào)或脈沖射頻信號(hào)），矢量信號(hào)發(fā)生器采用IQ調(diào)制器產(chǎn)生各種模擬或數(shù)字調(diào)制信號(hào)。
射頻信號(hào)源進(jìn)一步可以分成很多種，包括固定頻率CW正弦波輸出源、掃描輸出一個(gè)頻段非固定頻率CW正弦波的掃頻源、模擬信號(hào)發(fā)生器以及增加模擬和數(shù)字調(diào)制功能的矢量信號(hào)發(fā)生器。
如果測試需要激勵(lì)信號(hào)，那么就需要射頻信號(hào)源。射頻信號(hào)源的關(guān)鍵指標(biāo)是頻率與幅值范圍、幅值精度和調(diào)制質(zhì)量（對(duì)于產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)的信號(hào)源而言）。頻率調(diào)諧速度和幅值穩(wěn)定時(shí)間對(duì)于減少測試時(shí)間也是非常關(guān)鍵的。
矢量信號(hào)發(fā)生器是一種高性能的信號(hào)源，通常結(jié)合任意波形發(fā)生器一起產(chǎn)生某些調(diào)制信號(hào)。通過任意波形發(fā)生器可以使矢量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生任意類型的模擬或數(shù)字調(diào)制信號(hào)。這種發(fā)生器可以在內(nèi)部產(chǎn)生多種基帶波形，在某些情況下，也可以在外部產(chǎn)生某種基帶波形然后載入到儀器中。如果測試規(guī)范要求被測的
元件、設(shè)備或系統(tǒng)按照待測設(shè)備最終使用中的處理調(diào)制方式進(jìn)行測試，那么這種情況下通常需要使用矢量信號(hào)發(fā)生器。
如果測試規(guī)范需要進(jìn)行接收器靈敏度測試、誤碼率測試、相鄰信道抑制、雙音互調(diào)抑制、或雙音互調(diào)失真的測試，那么也需要使用射頻信號(hào)源。雙音互調(diào)測試和相鄰信道抑制測試需要兩個(gè)信號(hào)源，接收器靈敏度測試和/或誤碼率測試只需要使用一個(gè)射頻信號(hào)源。
如果待測器件是用于移動(dòng)電話的，那么測試者可能要根據(jù)移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)的需要進(jìn)行調(diào)制信號(hào)類型的測試。移動(dòng)電話功率放大器需要結(jié)合調(diào)制信號(hào)源（例如矢量信號(hào)發(fā)生器）進(jìn)行測試。在選擇某種矢量信號(hào)發(fā)生器之前，要評(píng)估一下該信號(hào)發(fā)生器在不同調(diào)制信號(hào)之間的切換速度，以確保其能夠提供最快的測試時(shí)間。
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網(wǎng)絡(luò)分析儀
除了頻譜分析儀和矢量信號(hào)分析儀，第三類分析儀就是網(wǎng)絡(luò)分析儀。網(wǎng)絡(luò)分析儀包含一個(gè)內(nèi)置的射頻信號(hào)源和一個(gè)測試射頻器件的寬帶（或窄帶）探測器。網(wǎng)絡(luò)分析儀以x-y坐標(biāo)、極坐標(biāo)或史密斯圓圖的形式輸出顯式器件的特性。
從本質(zhì)上來看，網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的是器件的S參數(shù)。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以提供幅值和相位信息，可以以很高的精度判斷這些器件在某個(gè)寬頻段上的傳輸損耗與增益。通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，還可以測量出回波損耗（反射系數(shù)）和阻抗匹配，進(jìn)行相位測量和群延遲測量。
網(wǎng)路分析儀主要用于分析諸如濾波器和放大器之類的元件。值得注意的是，網(wǎng)絡(luò)分析采用的是未經(jīng)調(diào)制的連續(xù)波，分析儀的校準(zhǔn)十分重要。利用制造商提供的校準(zhǔn)工具包可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)。
由于網(wǎng)絡(luò)分析儀在一臺(tái)儀器內(nèi)集成了信號(hào)源和測量功能，而且分析儀具有較寬的頻率范圍，因此這類儀器的價(jià)格比較昂貴。
典型應(yīng)用
需要同時(shí)使用四種主要的射頻測試儀器的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例就是功率放大器（PA）的測試。
信號(hào)源可以提供輸入信號(hào)，功率計(jì)或頻譜分析儀可以測量輸出功率。如果精度非常重要，例如在測量最大功率時(shí)，那么就需要使用功率計(jì)進(jìn)行輸出測量。
PA的輸入匹配對(duì)于從事射頻發(fā)射器的設(shè)計(jì)者來說是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。放大所有供給PA的功率，不因反射而損耗實(shí)際的功率，這是非常重要的。因此，PA制造商都會(huì)指明并測量PA的回波損耗（即S11），這是網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測量出的。另外，如果僅僅需要測量標(biāo)量幅值，那么可以通過一個(gè)耦合器將一個(gè)信號(hào)源和一個(gè)頻譜分析儀（或功率計(jì)）結(jié)合起來，測量反射功率的幅值。相比使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來看，這種方法唯一的缺點(diǎn)就是配置過程更加復(fù)雜，需要使用額外的無源射頻元件。對(duì)于回波損耗標(biāo)量的測量，功率計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的功率測量。
對(duì)于輸入阻抗與輸出阻抗（一般為50歐姆）不匹配的負(fù)載，PA向這樣的負(fù)載傳輸功率的能力是衡量該P(yáng)A在真實(shí)條件下性能的一個(gè)重要指標(biāo)，因?yàn)樵谡鎸?shí)條件下負(fù)載（例如天線）不一定恰好具有50歐姆的特性輸入阻抗。在這種情況下，非 50歐姆的電阻負(fù)載就會(huì)切換到該P(yáng)A的輸出端。這種負(fù)載將迫使PA輸出高達(dá)20:1的VSWR（理想匹配的情況下，50歐的負(fù)載將會(huì)得到將近1:1的 VSWR）。PA必須能夠正確工作，在存在大量反射功率的情況下為負(fù)載提供一些功率。
某些輸出測量需要進(jìn)行頻譜分析。用于廣播或移動(dòng)電話領(lǐng)域（或者其他符合FCC規(guī)定的應(yīng)用）的射頻PA要求在PA工作頻道的相鄰頻道內(nèi)不能產(chǎn)生多余的功率。對(duì)相鄰信道功率、互調(diào)失真和諧波失真的測量就是測量PA在真正傳輸信道之外所產(chǎn)生的功率。對(duì)于這些測量而言，動(dòng)態(tài)范圍、在存在大信號(hào)（例如載波信號(hào)）的情況下測量小信號(hào)的能力就成為頻譜分析儀的一項(xiàng)重要指標(biāo)。例如，如果某個(gè)PA的指標(biāo)表明它的相鄰信道功率（對(duì)于某類調(diào)制機(jī)制，或者對(duì)于某種特殊的移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)）是60dBc（載波下分貝），那么該頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍（在所需的測試條件下）必定比諧波功率、相鄰信道功率或互調(diào)分量的最小容許功率至少大6dB。
鄰信道功率必須采用調(diào)制信號(hào)進(jìn)行測量，也就是說必須考慮信號(hào)源的鄰信道性能。信號(hào)源的鄰信道功率輸出必須比功率放大器產(chǎn)生的最大容許鄰信道功率至少小6dB。
對(duì)于諧波的測量，分析儀的頻率范圍必須比該P(yáng)A的最大工作頻率（3dB帶寬頻率）大三倍，以充分捕捉最大工作頻率的三次諧波功率。此外，頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍和本底噪聲必須至少比待測值低6dB，才能很好的測量三次諧波分量；必須具有合理的信噪比，才能實(shí)現(xiàn)精確和可復(fù)現(xiàn)的測量。諧波測量顯示的是PA產(chǎn)生的失真大小。過多的失真會(huì)對(duì)調(diào)制性能產(chǎn)生負(fù)面影響。
當(dāng)不同頻率的信號(hào)或不同頻率的信號(hào)分量成為PA輸入時(shí)，互調(diào)失真就決定了PA產(chǎn)生了多少失真。產(chǎn)生這樣的測試信號(hào)需要兩個(gè)信號(hào)源。而一個(gè)雙輸出的信號(hào)源是不夠用的，因?yàn)樗膬蓚€(gè)輸出信號(hào)之間沒有充分的隔離。信號(hào)源會(huì)產(chǎn)生自身的互調(diào)失真，這會(huì)導(dǎo)致過高放大器失真測量，帶來測量結(jié)果的錯(cuò)誤。
針對(duì)移動(dòng)電話市場和某些市場領(lǐng)域（例如WLAN應(yīng)用）而設(shè)計(jì)的PA也經(jīng)常要進(jìn)行調(diào)制質(zhì)量的測試，在這些應(yīng)用領(lǐng)域中一般采用比較復(fù)雜的調(diào)
制機(jī)制。這類測試通常要測量誤差矢量幅值（EVM）。
結(jié)束語
上述對(duì)主要射頻理論的簡要介紹旨在幫助讀者回顧一下相關(guān)知識(shí)。這些對(duì)射頻測試儀器的概述將為讀者針對(duì)測試的需求選擇合適的測試儀器提供一些總體上的指導(dǎo)。在大多數(shù)情況下，測試者將會(huì)用到這四種測試儀器中的一種或幾種：信號(hào)源、功率計(jì)、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀。
