射頻必備的測量技術

射頻工程師必備的測量技術根底RobertGreenRFsister創(chuàng)客射頻空間2016-07-21當前，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。從蜂窩和無線PDA，到支持WiFi的筆記本電腦、藍牙耳機、射頻身份標簽、無線醫(yī)療設備和Zigbee傳感器，射頻設備的市場規(guī)模在飛速擴大。要想進展全面的生產(chǎn)測試并提高測試產(chǎn)能，測試工程師們必須要理解射頻根本原理，清楚測試的容，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)從事低頻應用〔工作頻率在1MHz以下〕的工程師不太熟悉高頻的應用特點。射頻術語：您必須掌握的“工作語言〞射頻信號的強度千差萬別。隨著信號在自由空間的傳播，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。采用分貝進展功率測量也大大簡化了計算過程。增益和損耗都按分貝為單位進展加減。因此，乘法操作簡化為加法操作。dB的形式化定義為：dB=10log(Pout/Pin)分貝dB是一個相對的值。另一個相關的單位是毫瓦分貝dBm，它是相對于1mW的絕對功率。圖1給出了dBm的值及其相應的瓦特數(shù)，其中還給出了移動的發(fā)射機發(fā)射功率參考圍，以及靈敏接收機所能檢測到的最低信號功率。圖2給出的等式定義了室溫下射頻信號的理論熱噪聲。由于射頻信號通過空氣的傳輸以及受到大氣干擾和其它信號的干擾，到達接收機端的信號電平可能變得非常低。接收機常常需要檢測低于0.1pW的信號〔或者低于微伏的信號電平〕。NoiseFloor：本底噪聲在低頻情況下，我們在電路上傳輸電壓的目標是實現(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。對于射頻應用，線纜的長度可能只有波長的四分之一，我們必須把信號傳輸當成波來理解。如果波受到阻斷，局部波信號就會發(fā)生反射。射頻傳輸?shù)哪繕司褪菬o損耗地將所有的功率傳給負載。任何功率的反射就意味著傳給負載功率的損失。因此，失配是一個關鍵的參數(shù)。電路元件和傳輸線之間的任何阻抗差異都會引起反射和功率損耗。在射頻應用中，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線的幾何構造、導線的屬性以及包裹或隔離導線的絕緣體。對于射頻應用來說，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)的功率傳輸，而75歐姆的阻抗用于實現(xiàn)最小的衰減，例如有線電視網(wǎng)系統(tǒng)。大局部射頻無線傳輸系統(tǒng)都是針對功率傳輸而進展設計優(yōu)化的，因此特征阻抗都是50歐姆。為了盡量減少反射，無線測試與測量應用中的射頻線纜和組件都是基于50歐姆特征阻抗而設計的。相反，當阻抗匹配時，就實現(xiàn)了最正確的功率傳輸。如果*個信號波從一種特征阻抗傳輸?shù)搅硪环N不同的特征阻抗，則就會引起信號反射和反向傳輸。如果阻抗一樣，就不會發(fā)生反射。當由于阻抗不連續(xù)而發(fā)生信號反射時，就會在傳輸線的兩個方向上出現(xiàn)信號波的傳輸。在這兩個波相位一樣的點上，將出現(xiàn)最大的電壓幅值Vma*；在它們相位相差180度的點上，將出現(xiàn)Vmin。Vma*和Vmin的比值稱為電壓駐波比，即VSWR。VSWR是衡量*個連接器或*條線纜的阻抗是否接近50歐姆的一個指標。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值之間的關系。ReturnLoss：回波損耗ReflectedPower：反射功率帶BNC連接器的電纜通常在500MHz以上就開場衰減。在射頻領域，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，因為它們非常耐用，可以處理高功率，能夠很好地工作在高達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度折彎都會損壞電纜，嚴重地降低傳輸性能。在低頻情況下，良好的連接就是指導線之間要相互接觸〔簡單的連續(xù)性〕。而在射頻情況下，阻抗失配是很嚴重的問題，意味著良好的連接不僅要確保導線相互接觸，而且要求連接器也要正確的扭轉在一起。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〔射頻術語稱為插入損耗〕。射頻電路中的并行連接或者多信號通路并不像低頻電路中的那樣簡單。保證整個電路通路阻抗匹配，減小阻抗不連續(xù)和信號反射是非常關鍵的。射頻開關的制作都采用精細加工，以確保整個開關都是50歐姆的阻抗。為了實現(xiàn)并行通路，人們采用所謂的分路器或別離器之類的器件將一條輸入信號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，則不要被這些復雜的情況所嚇倒。射頻元件比同樣的直流元件本錢要高得多。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，應用越來越廣泛，包括從信號源和功率計，到頻譜和網(wǎng)絡分析儀等各種儀器。這些儀器用于產(chǎn)生射頻信號，以及測量大量信號參數(shù)。功率是射頻領域中最經(jīng)常被測量的一個量。測量功率最簡單的方法就是使用功率計，它實際上是用來測量射頻信號功率的。功率計中使用寬帶檢波器，按瓦特、dBm、或者dBμV顯示絕對功率的大小。對于大多數(shù)功率計而言，寬帶檢波器〔或傳感器〕是一個射頻肖特基二極管或者二極管網(wǎng)絡，實現(xiàn)射頻到直流的轉換處理。功率計是所有測量功率的射頻儀器中最準確的。高端功率計〔通常需要一個外部功率傳感器〕可以實現(xiàn)0.1dB或更高的測量精度。功率計最低可以測量-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。功率計有單通道和雙通道兩種。每個通道都需要配置自己的傳感器。兩個通道的功率計就能夠測量出一個器件、電路或系統(tǒng)的輸入和輸出功率，并計算出增益或損耗。*些功率計能夠到達每秒200到1500次讀數(shù)的測量速度。而有些功率計能夠測量多種信號的峰值功率特性，包括通信和*些應用中使用的調制信號和脈沖射頻信號。雙通道的功率計還能夠準確測量出相對功率。功率計還可以針對便攜式應用的需要設計成尺寸精巧的外形，使其更適合于現(xiàn)場測試的需要。功率計的主要局限在于其幅值測量圍。頻率圍是與測量量程之間進展折衷的。此外，功率計雖然能夠非常準確地測量出功率，但是無法表示信號的頻率分量。頻譜或矢量信號分析儀利用窄帶檢測技術在頻域測量射頻信號。其主要的輸出顯示是功率頻譜與頻率之間的關系，包括絕對功率和相對功率。這種分析儀還可以輸出解調信號。頻譜分析儀和矢量信號分析儀沒有像功率計那樣的準確性，但是，射頻分析儀中使用的窄帶檢測技術使其能夠測量低達-150dBm的功率。射頻分析儀的精度一般在±0.5dB以上。頻譜和矢量信號分析儀可以測量的信號頻率從1kHz到40GHz〔甚至以上〕。頻率圍越寬，分析儀的本錢就越大。最常見的分析儀的頻率到達3GHz。工作在5.8GHz頻率圍的新通信標準就需要帶寬為6GHz以上的分析儀。矢量信號分析儀是增加了信號處理功能的頻譜分析儀，它不僅能夠測量信號的幅值，而且能夠將信號分解成它的同相和正交分量。矢量信號分析儀可以將*些調制信號進展解調，例如一些由移動、無線LAN設備和基于其他一些新通信標準的設備所產(chǎn)生的調制信號。矢量信號分析儀可以顯示星座圖、碼域圖和調制質量〔例如誤差矢量幅度〕的計算度量。傳統(tǒng)的頻譜分析儀是掃描-調諧式設備，因為其中的局部振蕩器要掃描一個頻率圍，窄帶濾波器就可以獲取該頻率圍每個單位頻率上的功率分量。矢量信號分析儀也掃描一局部頻譜，但是它們捕捉一定寬帶的數(shù)據(jù)進展快速傅立葉變換得到單位頻率上的功率分量。因此矢量信號分析儀掃描頻譜的速度比頻譜分析儀快得多。評價矢量信號分析儀性能的關鍵指標在于它的測量帶寬。一些新的高帶寬通信標準，例如WLAN和WiMa*，需要捕捉帶寬為20MHz的信號。要想捕捉并分析這些信號，分析儀必須具有足夠大的帶寬才能捕捉到整個信號。如果測試高帶寬、數(shù)字調制的信號，則要確保分析儀的測量帶寬能夠充分捕捉到所測的信號。頻譜分析儀可以用于檢驗待測發(fā)射機是否產(chǎn)生了正確的功率頻譜。如果設計工程要求測試*些失真分量，例如諧波或寄生信號，則就需要采用頻譜分析儀或矢量信號分析儀。類似的，如果設計者關注器件的噪聲功率，則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分析儀的例子包括：測試互調失真、三階截斷、功率放大器或功率晶體管的1dB增益壓縮、器件的頻率響應等。測試那些涉及數(shù)字調制信號的發(fā)射機或放大器就需要使用矢量信號分析儀，對調制信號進展解調。矢量信號分析儀能夠測量出*個器件產(chǎn)生了多大的調制失真。解調過程是一個復雜、計算密集的過程。能夠快速進展解調和測量計算操作的矢量信號分析儀就可以大大縮短測試時間，降低測試本錢。所有的射頻信號源都能產(chǎn)生連續(xù)〔CW〕射頻正弦波信號。*些信號發(fā)生器也能夠產(chǎn)生模擬調制射頻信號〔如AM信號或脈沖射頻信號〕，矢量信號發(fā)生器采用IQ調制器產(chǎn)生各種模擬或數(shù)字調制信號。射頻信號源進一步可以分成很多種，包括固定頻率CW正弦波輸出源、掃描輸出一個頻段非固定頻率CW正弦波的掃頻源、模擬信號發(fā)生器以及增加模擬和數(shù)字調制功能的矢量信號發(fā)生器。如果測試需要鼓勵信號，則就需要射頻信號源。射頻信號源的關鍵指標是頻率與幅值圍、幅值精度和調制質量〔對于產(chǎn)生調制信號的信號源而言〕。頻率調諧速度和幅值穩(wěn)定時間對于減少測試時間也是非常關鍵的。矢量信號發(fā)生器是一種高性能的信號源，通常結合任意波形發(fā)生器一起產(chǎn)生*些調制信號。通過任意波形發(fā)生器可以使矢量信號發(fā)生器產(chǎn)生任意類型的模擬或數(shù)字調制信號。這種發(fā)生器可以在部產(chǎn)生多種基帶波形，在*些情況下，也可以在外部產(chǎn)生*種基帶波形然后載入到儀器中。如果測試規(guī)要求被測的元件、設備或系統(tǒng)按照待測設備最終使用中的處理調制方式進展測試，則這種情況下通常需要使用矢量信號發(fā)生器。如果測試規(guī)需要進展接收器靈敏度測試、誤碼率測試、相鄰信道抑制、雙音互調抑制、或雙音互調失真的測試，則也需要使用射頻信號源。雙音互調測試和相鄰信道抑制測試需要兩個信號源，接收器靈敏度測試和/或誤碼率測試只需要使用一個射頻信號源。如果待測器件是用于移動的，則測試者可能要根據(jù)移動標準的需要進展調制信號類型的測試。移動功率放大器需要結合調制信號源〔例如矢量信號發(fā)生器〕進展測試。在選擇*種矢量信號發(fā)生器之前，要評估一下該信號發(fā)生器在不同調制信號之間的切換速度，以確保其能夠提供最快的測試時間。除了頻譜分析儀和矢量信號分析儀，第三類分析儀就是網(wǎng)絡分析儀。網(wǎng)絡分析儀包含一個置的射頻信號源和一個測試射頻器件的寬帶〔或窄帶〕探測器。網(wǎng)絡分析儀以*-y坐標、極坐標或史密斯圓圖的形式輸出顯式器件的特性。從本質上來看，網(wǎng)絡分析儀測量的是器件的S參數(shù)。矢量網(wǎng)絡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*個寬頻段上的傳輸損耗與增益。通過矢量網(wǎng)絡分析儀，還可以測量出回波損耗〔反射系數(shù)〕和阻抗匹配，進展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)絡分析采用的是未經(jīng)調制的連續(xù)波，分析儀的校準十分重要。利用制造商提供的校準工具包可以實現(xiàn)網(wǎng)絡分析儀的校準。由于網(wǎng)絡分析儀在一臺儀器集成了信號源和測量功能，而且分析儀具有較寬的頻率圍，因此這類儀器的價格比擬昂貴。需要同時使用四種主要的射頻測試儀器的一個應用實例就是功率放大器〔PA〕的測試。信號源可以提供輸入信號，功率計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，則就需要使用功率計進展輸出測量。PA的輸入匹配對于從事射頻發(fā)射器的設計者來說是一個關鍵參數(shù)。放大所有供應PA的功率，不因反射而損耗實際的功率，這是非常重要的。因此，PA制造商都會指明并測量PA的回波損耗〔即S11〕，這是網(wǎng)絡分析儀可以測量出的。另外，如果僅僅需要測量標量幅值，則可以通過一個耦合器將一個信號源和一個頻譜分析儀〔或功率計〕結合起來，測量反射功率的幅值。相比使用網(wǎng)絡分析儀來看，這種方法唯一的缺點就是配置過程更加復雜，需要使用額外的無源射頻元件。對于回波損耗標量的測量，功率計能夠實現(xiàn)更準確的功率測量。對于輸入阻抗與輸出阻抗〔一般為50歐姆〕不匹配的負載，PA向這樣的負載傳輸功率的能力是衡量該PA在真實條件下性能的一個重要指標，因為在真實條件下負載〔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歐姆的電阻負載就會切換到該PA的輸出端。這種負載將迫使PA輸出高達20:1的VSWR〔理想匹配的情況下，50歐的負載將會得到將近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載提供一些功率。*些輸出測量需要進展頻譜分析。用于播送或移動領域〔或者其他符合FCC規(guī)定的應用〕的射頻PA要求在PA工作頻道的相鄰頻道不能產(chǎn)生多余的功率。對相鄰信道功率、互調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。對于這些測量而言，動態(tài)圍、在存在大信號〔例如載波信號〕的情況下測量小信號的能力就成為頻譜分析儀的一項重要指標。例如，如果*個PA的指標說明它的相鄰信道功率〔對于*類調制機制，或者對于*種特殊的移動標準〕是60dBc〔載波下分貝〕，則該頻譜分析儀的動態(tài)圍〔在所