功率計(jì)基礎(chǔ)使用技巧
功率計(jì)發(fā)展到今天，USB功率探頭（功率傳感器）已成為主流功率計(jì)，探頭自身完成測(cè)試工作，通過USB連接控制器，控制器的功能是進(jìn)行測(cè)試控制設(shè)置和數(shù)據(jù)計(jì)算顯示。R&S功率探頭的控制器可以是功率計(jì)主機(jī)，可以是帶有USB控制接口的頻譜儀、信號(hào)源、網(wǎng)絡(luò)分析儀和接收機(jī)等儀器，可以是計(jì)算機(jī)，也可以是平板電腦或手機(jī)。
這些靈活性和多樣性帶來了復(fù)雜性，本文開啟功率計(jì)使用的“傻瓜模式”，力求讓沒有功率計(jì)基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)的人測(cè)準(zhǔn)信號(hào)功率。
應(yīng)用場(chǎng)景
通用(Universal)探頭 |
適用于小功率測(cè)量的幾乎所有應(yīng)用場(chǎng)合； 可測(cè)量所有類型信號(hào)的平均功率； 對(duì)于已知占空比的脈沖信號(hào)，可自動(dòng)計(jì)算顯示峰值功率； 可測(cè)量TDD通信信號(hào)的時(shí)域脈沖內(nèi)的平均功率； 工作頻率上限可達(dá)50GHz； 功率量程范圍-70dBm~23dBm； 通用探頭是多通道二極管探頭，均衡考慮精度、量程和速度。 |
熱電(Thermal)探頭 |
一般用于計(jì)量校準(zhǔn)等追求最高電平測(cè)量精度的場(chǎng)合; 可測(cè)量所有類型信號(hào)的平均功率； 對(duì)于已知占空比的脈沖信號(hào)，可自動(dòng)計(jì)算顯示峰值功率； 工作頻率上限可達(dá)110GHz； 功率量程范圍-35dBm~20dBm; 其優(yōu)點(diǎn)工作頻率范圍大、精度高; 缺點(diǎn)量程動(dòng)態(tài)范圍小，速度慢，僅能測(cè)試平均值。 |
寬帶(Wideband)峰值探頭 |
可測(cè)量所有信號(hào)平均功率和脈沖信號(hào)的峰值功率等脈沖參數(shù)； 特別適用于窄脈沖（脈寬<1ms）的測(cè)量; 通常采用Trace模式，顯示時(shí)域功率包絡(luò)曲線； 脈沖分析功能; 讀出升降沿時(shí)間、脈寬和周期等時(shí)間參數(shù); 峰值、均值和脈內(nèi)均值功率等參數(shù)。 工作頻率上限可達(dá)44GHz； 功率量程范圍-60dBm~20dBm; 其優(yōu)點(diǎn)是可以測(cè)量脈沖信號(hào)功率曲線，直接分析脈沖參數(shù)； 缺點(diǎn)是噪聲大，精度略低。 |
使用方式
計(jì)算機(jī)軟件控制功率探頭
電腦預(yù)裝驅(qū)動(dòng)和功率測(cè)量軟件 § VISA(RS-VISA或NI-VISA) § § R&S NRP-Toolkit § § R&S powerviewer功率測(cè)量軟件 § |
USB（Type A）接口探頭連接電腦，軟件左下角顯示探頭串號(hào) |
ALT+S可以切換顯示設(shè)置面板setting panel |
平均功率測(cè)量 |
§ Continues模式； § § 輸入信號(hào)頻率值Signal frequency； § § 探頭空載，設(shè)置面板中點(diǎn)擊Zero調(diào)零校準(zhǔn)； § § 連接DUT， § § 單位可選dBm,W,dBW,V,dBuV，選擇框位于數(shù)據(jù)顯示主窗口左下方; § § 如需顯示峰值，設(shè)置面板中勾選duty cycle，按照已知占空比輸入脈寬/周期百分比，數(shù)據(jù)顯示主窗口左下方顯示峰值功率計(jì)算值。 § |
脈沖功率分析 |
§ Trace模式，必須寬帶峰值探頭； § § 輸入信號(hào)載波頻率值Signal frequency； § § 探頭空載，設(shè)置面板中點(diǎn)擊Zero調(diào)零校準(zhǔn)； § § 設(shè)置面板中點(diǎn)擊Pulse,勾選全部measurement results； § § 設(shè)置面板中設(shè)置橫軸時(shí)間軸/div，使trace窗口中顯示大于一個(gè)完整周期的信號(hào)； § § 雙擊Trace窗口最大化，讀取pulse measurement中各項(xiàng)脈沖參數(shù)。 § |
電平修正 |
§ 僅當(dāng)探頭串接衰減器或放大器時(shí)使用； § § 窗口右下方Level offset 輸入； § § 連衰減器時(shí)，offset等于衰減值； § § 連放大器時(shí)，offset等于負(fù)增益值。 § |
使用方式
功率計(jì)主機(jī)R&S NRX
功率計(jì)主機(jī)R&S NRX既支持多個(gè)ODU mini-snap圓形接口，也支持多個(gè)USB-A接口的R&S功率探頭 |
§ 連接探頭【Preset】 § § 探頭空載【Zero】 § |
平均功率測(cè)量 |
§ 【Freq】輸入信號(hào)頻率值； § § 連接DUT直接讀數(shù) § |
脈沖功率分析 |
§ 必須寬帶峰值探頭； § § 【Freq】輸入信號(hào)頻率值； § § 雙擊屏幕測(cè)試數(shù)值區(qū)進(jìn)入Measurement Settings； § § Measurement Type選擇Pulse analysis； § § 點(diǎn)擊進(jìn)入曲線顯示區(qū)域； § § 點(diǎn)擊曲線下方列表區(qū)； § § 選擇期望測(cè)試的脈沖參數(shù)，如：脈寬、周期等時(shí)間(Time標(biāo)簽)參數(shù)以及峰值、平均等功率(Power標(biāo)簽)參數(shù)； § § 按ESC回退到顯示頁面讀數(shù) § |
電平修正 |
§ 僅當(dāng)探頭串接衰減器或放大器時(shí)使用； § § 雙擊屏幕測(cè)試數(shù)值區(qū)進(jìn)入Measurement Settings； § § Sensor Config>>Correction § § 連衰減器時(shí)，offset數(shù)值等于衰減值； § § 連放大器時(shí)，offset數(shù)值等于負(fù)增益值； § § Offset state>>ON § |
射頻微波功率探頭選型指南
射頻微波功率探頭的選型指南。根據(jù)現(xiàn)代功率探頭的結(jié)構(gòu)和測(cè)試原理，分析各種探頭技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，使工程師可以選擇合適的功率探頭，獲得準(zhǔn)確的功率測(cè)試值。另外，本文還涉及探頭自身的修正技術(shù)以及測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫妗?/span>
1. 引言
信號(hào)的功率測(cè)試，通常以功率計(jì)的測(cè)試結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)。
現(xiàn)代功率探頭具有以下特點(diǎn)：數(shù)字化，小型化；探頭完成所有測(cè)試功能，和測(cè)試數(shù)據(jù)的采集；無需主機(jī)，可以由包括手機(jī)在內(nèi)的具有操作系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行探頭控制和數(shù)據(jù)分析。
針對(duì)不同的測(cè)試目的和任務(wù)，如何選用合適的功率探頭，是擺在每個(gè)射頻工程師面前的問題。
2. 功率探頭類型及原理
從探頭采用的技術(shù)類型劃分，可分為兩大類：熱電探頭和二極管探頭。熱電探頭又分為熱敏、熱偶和熱電堆三個(gè)類別；二極管探頭又分為單通道、多通道和寬帶（峰值）幾個(gè)類別。
從應(yīng)用場(chǎng)合看，熱電探頭小功率（1mW左右）測(cè)試準(zhǔn)確度高，功率測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍小，適合射頻微波信號(hào)平均功率的計(jì)量校準(zhǔn)；二極管探頭功率測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大，速度快，適合研發(fā)測(cè)試和工程應(yīng)用。
2.1. 熱電功率探頭
熱敏功率探頭采用熱敏電阻作為核心元部件，輸入信號(hào)經(jīng)過熱敏電阻的功率被其吸收后溫度升高，電阻值發(fā)生顯著變化，利用電橋測(cè)量電阻值的變化，顯示功率值。
熱偶功率探頭的核心部件是熱電偶。將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生溫差電勢(shì)，電勢(shì)的大小正比于吸收的高頻功率值，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，又稱為塞貝克（Seebeck）效應(yīng)。利用熱電偶型功率計(jì)中的熱偶結(jié)直接吸收高頻信號(hào)功率，熱結(jié)點(diǎn)溫度升高，產(chǎn)生溫差電勢(shì)，電勢(shì)的大小正比于吸收的射頻功率值，進(jìn)行功率測(cè)量。
為了提高熱電偶的靈敏度，可將多個(gè)熱電偶串聯(lián)起來組成熱電堆；熱電堆的輸出電壓（輸出溫差電動(dòng)勢(shì)）是多個(gè)熱電偶的輸出電壓之和。
綜合考慮測(cè)試頻率范圍、功率范圍和準(zhǔn)確度，熱電堆是目前最佳熱電功率探頭技術(shù)。
2.2. 二極管功率探頭
二極管功率探頭采用半導(dǎo)體二極管作為核心元部件，采用平方率檢波，獲得功率值。所謂平方率檢波，就是在小信號(hào)范圍（-70dBm~
-13dBm），肖特基（schottky）二極管輸出電壓正比于輸入功率，或者說正比于輸入電壓幅度的平方，通過輸出電壓的測(cè)量，得出功率測(cè)量值。
單通道二極管的功率測(cè)試范圍不夠高，現(xiàn)代智能探頭一般選用多通道方式。通常增設(shè)兩路不同前端衰減器的通道，與不加衰減器的通道并行測(cè)量，對(duì)一組三通道測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行智能判斷和修正。通過這種方法，可以實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍（-70dBm~+23dBm）功率的準(zhǔn)確測(cè)量。
上述智能探頭采用不同的視頻濾波器（低通），獲得更佳靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于特殊測(cè)試應(yīng)用，如峰值功率測(cè)量，采用寬帶視頻濾波器（如30MHz），從而獲得更快的響應(yīng)速度，能夠測(cè)試更窄的脈沖，獲得連續(xù)的脈沖信號(hào)功率變化曲線，進(jìn)而分析實(shí)時(shí)功率值。
2.3 功率探頭的調(diào)零校準(zhǔn)與數(shù)值修正
功率探頭的作用是獲得準(zhǔn)確的功率測(cè)量值，每個(gè)探頭必須有精確的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)代功率探頭的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)一般內(nèi)置在探頭內(nèi)置存儲(chǔ)器中。功率探頭的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，即包括入射功率的修正，也包括駐波反射修正。
功率探頭的輸入端連接輸入被測(cè)信號(hào)，輸出端直接是測(cè)試數(shù)據(jù)（測(cè)量值），數(shù)據(jù)修正是在測(cè)量中自動(dòng)完成的。
現(xiàn)代功率探頭在測(cè)量前無需外置源校準(zhǔn)，因?yàn)樘筋^內(nèi)部有參考源和參考溫度，“調(diào)零”過程就包含了以前的測(cè)量前校準(zhǔn)過程。
為了保證測(cè)量準(zhǔn)確度，功率探頭需要送到計(jì)量單位溯源和校準(zhǔn)，如果計(jì)量單位給出的修正數(shù)據(jù)與功率探頭原有數(shù)據(jù)偏差，在測(cè)量不確定度范圍之內(nèi)，則此探頭通過校準(zhǔn)，無需修改數(shù)據(jù)。
如果計(jì)量單位采用原廠功率標(biāo)準(zhǔn)，例如R&S NRPC，計(jì)量R&S功率探頭，那么計(jì)量過程可以實(shí)現(xiàn)真正的“校準(zhǔn)”，可以自動(dòng)擦寫探頭內(nèi)部修正數(shù)據(jù)，誤差歸零；當(dāng)然，如果用NRPC計(jì)量其他公司探頭，僅能完成“計(jì)量”過程，給出誤差而不能擦寫內(nèi)置數(shù)據(jù)。
功率計(jì)（探頭）應(yīng)用及選型
3.1 通用大動(dòng)態(tài)功率測(cè)量
兼顧測(cè)試準(zhǔn)確度和測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍（-70dBm~+23dBm），通用功率探頭是二極管（智能多通道）探頭。
選型參考型號(hào)：
R&S?NRP8S（N） | 100 pW ~ 200 mW, 10 MHz ~ 8 GHz |
R&S?NRP18S（N） | 100 pW ~ 200 mW, 10 MHz ~ 18 GHz |
R&S?NRP33S（N） | 100 pW ~ 200 mW, 10 MHz ~ 33 GHz |
R&S?NRP40S（N） | 100 pW ~ 100 mW, 50 MHz ~ 40 GHz |
R&S?NRP50S（N） | 100 pW ~ 100 mW, 50 MHz ~ 50 GHz |
R&S?NRP6A（N） | 100 pW ~ 200 mW, 8 kHz ~ 6 GHz |
R&S?NRP18A（N） | 100 pW ~ 200 mW, 8 kHz ~ 18 GHz |
3.2 信號(hào)平均功率計(jì)量和校準(zhǔn)
從準(zhǔn)確度考慮，平均功率的測(cè)試一般采用熱電堆智能探頭。
小功率信號(hào)（-10~+10dBm）的計(jì)量校準(zhǔn)，選用熱電堆功率探頭，具有最佳測(cè)量不確定度。
另外，如果功率范圍在（-35dBm~+20dBm），并且只需要測(cè)量信號(hào)的平均功率，熱電堆功率探頭也是最佳選擇。
選型參考型號(hào)：
R&S?NRP18T（N） | 300 nW ~ 100 mW, DC ~ 18 GHz |
R&S?NRP33T（N） | 300 nW ~ 100 mW, DC ~ 33 GHz |
R&S?NRP40T（N） | 300 nW ~ 100 mW, DC ~ 40 GHz |
R&S?NRP50T（N） | 300 nW ~ 100 mW, DC ~ 50 GHz |
R&S?NRP67T（N） | 300 nW ~ 100 mW, DC ~ 67 GHz |
R&S?NRP110T | 300 nW ~ 100 mW, DC ~ 110 GHz |
如果是針對(duì)功率探頭的計(jì)量，需要功率標(biāo)準(zhǔn)，參考型號(hào)：
R&S?NRPC18 | DC ~ 18 GHz |
R&S?NRPC33 | DC ~ 33 GHz |
R&S?NRPC40 | DC ~ 40 GHz |
R&S?NRPC50 | DC ~ 50 GHz |