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功率的测量及应用探讨

发表时间：2021/3/16 来源：《中国科技信息》2021年1月作者：韦振华

[导读] 多种设备均可对射频和微波进行功率测量，本文简要分析了功率传感器、频谱分析仪的工作原理，并列出连续波、多音频、脉冲信号和相对功率的测量实例，总结了适用场景。

广西桂林国营长虹机械厂韦振华 541002

摘要：多种设备均可对射频和微波进行功率测量，本文简要分析了功率传感器、频谱分析仪的工作原理，并列出连续波、多音频、脉冲信号和相对功率的测量实例，总结了适用场景。
关键词：功率测量频谱分析仪
        引言
        对射频和微波设备而言，系统输出功率是决定其设计和性能的关键因素，从初始设计和单独元件原型制作开始，到系统制造及合格性测试，以及系统现场安装，直至定期维护和现场检修，每一步都要涉及到信号功率测量。
        由此，功率的测量方式和精度显得至关重要。这需要设备性能出众(精度)，在不同的环境和操作条件下(可重复性)都能提供稳定的测量结果，且所有测量结果都可作为功率测量的绝对值(可追溯性)。本文将对功率的测量技术及应用进行探讨。
        一、功率测量设备
        多种设备均可对射频和微波进行功率测量，包括功率传感器、功率计、信号分析仪、频谱分析仪和网络分析仪等。功率传感器与测量和显示系统的连接有多种配置方式，这些系统包括传统的功率计、笔记本电脑和频谱分析仪等：
        a)功率传感器可与单独的功率计进行配置；
        b)将带USB接口的功率传感器与笔记本电脑相连；
        c)将带USB接口的功率传感器直接与频谱分析仪连接；在这种配置中，频谱分析仪可直接显示功率测量数据，无需将功率计或笔记本电脑带到现场。
        d)使用内置通道功率计的频谱分析仪直接测量信号功率，这种方案无需使用外置功率传感器。在这种配置中，频谱分析仪可以测量平均功率，使用一条短跨接电缆连接频谱分析仪和系统测试点。
        二、功率传感器原理
        典型的功率传感器和功率计配置包括一个连接模拟和数字信号处理元件的传感器元件。将功率传感器与功率计相连时，信号处理功能由功率计执行；使用USB连接的功率传感器时，信号处理功能由功率传感器执行，笔记本电脑或频谱分析仪完成显示功能。
        实测过程中发现，功率传感器需要注意归零和用户校准，以消除频率响应、温度漂移和传感器元件老化造成的误差。常用的功率传感器和功率计通过50MHz基准振荡器保证精度，振荡器输出功率的精度保证在±0.4%之内。使用功率计时，需要将功率传感器直接与50MHz基准连接器相连来进行校准。
        三、频谱分析仪原理
        目前常用的相对简单的测量平均功率的方法，即使用频谱分析仪。频谱分析仪是一种调谐接收机，在靠近输入端的地方安装有模数转换器，用于对中频信号采样，以便在数字域进行滤波和探测。数字滤波有两个阶段：首先使用带通滤波器对经过数字转换的中频信号进行滤波，这个滤波器的带宽是可调的，称为“分辨率带宽”。经过滤波后，这种幅度的信号可以被频谱分析仪探测到和低通滤波，而低通滤波阶段称为“视频带宽”。
        频谱分析仪与功率计的一大不同点是频率选择性。频谱分析仪在特定的分辨率带宽下测量功率，而功率传感器没有频率选择性，它探测传感器全频段的功率，包括谐波和其他任何进入传感器的信号，缺少可调节带宽是功率传感器最低仅能测量-70dBm信号的主要原因。相比之下，只要选择更窄的分辨率带宽，频谱分析仪可以测量更小的功率信号，测量范围更大。
频谱分析仪相对于功率传感器而言，其测量精度较低，但某现代分析仪，能在仪器可处理频率、温度和动态范围内达到接近±0.5dB的典型精度，灵敏度可以达到–154dBm/Hz，动态范围可超过105dB，而且另一大优势是无需预热，因为自带校正功能，可在任何功率、频率和温度环境下保证测量精度，可以满足多数测试场合。
        四、功率测量实例
        下面使用频谱分析仪和功率传感器测量平均功率进行对比。分别使用频谱分析仪和功率传感器连接至信号发生器输出端口，以频率6GHz，输出功率电平–20dBm为标准信号。连接时跨接电缆的插入损耗通过电缆损耗功能进行补偿。
        1、连续波信号测量
        连续波信号是最容易测量的信号，因其平均功率和峰值功率相等，信号无带宽。结果显示，频谱分析仪扫频500kHz有一个峰值信号，通过标记搜索峰值，显示峰值功率(平均功率)为–20.08dBm；功率传感器直接测量平均功率，显示值为–20.00dBm。
        2、多音频信号测量
        信号发生器设置输出功率分布于五个音频信号，信号频率间距为500kHz。理论上如果所有音频信号的总功率是–20dBm(10μW)，则每个音频信号的功率为–26.98dBm(2μW)。结果显示，频谱分析仪通过内置通道功率计测量总功率，显示值为–20.2dBm；功率传感器测量全部五个音频信号的平均功率，显示值为–20.13dBm。
        实测中应注意，频谱分析仪的扫频宽度应设为覆盖全部五个音频信号。如本例中，最小扫宽应为2.5MHz(音频信号频率间隔500kHz乘以5)。如果将扫宽降低至200kHz并重复测量，此时频谱分析仪将仅显示中心频率6GHz的单峰值信号，其峰值功率为–27.1dBm，非常接近–26.98dBm的理论值。
        3、脉冲信号测量
        对于脉冲信号，其脉冲宽度和脉冲重复间隔的比率称为占空比因数，一般以百分数表示，表征脉冲信号在一个脉冲周期中处于“开”状态的时间与周期的比值。例如，占空比因数为10%的意思是脉冲发射时间占总时间的百分之十。对于周期性脉冲波形，其峰值功率与平均功率的关系离不开占空比因数。
       以测量一个脉冲宽度20μs，占空比因数20%的脉冲波形为例。结果显示，频谱分析仪通过内置通道功率计测量的平均功率，显示值为–26.8dBm；功率传感器测量平均功率，显示值为–27.01dBm。
        已知平均功率则可以计算峰值功率，即占空比因数20%时，峰值功率为:，与信号发生器的输出功率电平设定一致。
        4、相对功率测量
        某现代分析仪内置高达50GHz频率范围的独立信号源，该信号源能够调谐到任何频率，不受频谱分析仪频率的影响。下面以某型高度表模拟器的测试为例，分析相对功率(衰减)的测量过程。
将频谱分析仪Port1设为RF输出，Port2为SA RF输入，设内置信号源输出频率6GHz，输出功率电平–20dBm的信号。高度表模拟器端通过软件设置10dB步进衰减，频谱分析仪做好峰值标记，然后游标选“差值”，则可以显示-9.97dBm、-19.96dBm等相对功率值(衰减值)。
        五、结语
        经反复实验，发现频谱分析仪测量平均功率时，在整个动态范围，频率在100kHz到18GHz之间的典型精度在±0.35dB之内，与功率传感器的精度差别在±0.2dB之内，可满足技术要求大于±1dB的射频和微波设备的测试需求，且在–10℃到+55℃范围内一开机就能得到误差在上述范围内的测量值，无需像功率传感器那样预热30分钟。此外，在测量小功率信号时，功率传感器需要较长的测量时间来对噪声数据平均化，才能获得较好的精度；相比之下，基于高灵敏性调谐接收机架构的频谱分析仪，其总测量时间大幅减少。
        综上所述，测量功率时，在实验室条件下适用功率传感器方案，精度更高；现场测试条件下，则适用频谱分析仪方案，具备快速、可靠等特点，便于随时随地进行精确测量。
参考文献
[1]是德科技应用指南，“射频和微波功率测量基础(第4部分)，Keysight RF/微波功率测量概述”，5988-9216CHCN，2008年9月。
[2]是德科技白皮书，“FieldFox微波分析仪4/6/6.5/9/14/18/26.5GHz”，5991-1300CHCN，2012年11月。
作者简介：
韦振华，（1981–），男，汉族，广西桂林人，高级工程师，研究生，主要从事计量测试技术工作。