電流和電壓確實(shí)很重要，但功率給我們提供了更完整和更有用的射頻(RF)信息，原因有幾個(gè)。功率提供了一種更直接和方便的方式來表征射頻系統(tǒng)的性能、評(píng)估信號(hào)強(qiáng)度、優(yōu)化能量傳輸、確保安全以及分析系統(tǒng)性能。

在大多數(shù)射頻應(yīng)用中，功率測(cè)量通常比高頻電流或電壓測(cè)量更相關(guān)且更易于準(zhǔn)確獲取。與其他射頻儀器相比，功率計(jì)在射頻功率測(cè)量中提供了最高的準(zhǔn)確性。這些儀器可以是專用的獨(dú)立設(shè)備，如圖1所示的功率計(jì)?；蛘撸β视?jì)的功能可以集成到其他測(cè)試和測(cè)量設(shè)備中，例如信號(hào)源、頻率計(jì)和頻譜分析儀。

射頻功率計(jì)不提供關(guān)于入射射頻功率的譜信息。顯示的功率讀數(shù)表示總功率水平。在單色信號(hào)的情況下，功率計(jì)指示其對(duì)應(yīng)的功率。相反，如果同時(shí)存在多個(gè)具有不同頻率的信號(hào)，功率計(jì)則顯示所有頻率成分的射頻功率之和。

射頻功率計(jì)主要由兩個(gè)功能模塊組成：

1.傳感器(或探測(cè)器)：這些元件將射頻功率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，通常是與入射射頻功率線性或以某種方式成比例關(guān)系的直流電壓或電流。

2.功率計(jì)單元(或儀器單元)：該單元處理來自傳感器的電信號(hào)。它進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，應(yīng)用校準(zhǔn)因子，根據(jù)傳感器的特性響應(yīng)計(jì)算射頻功率水平，并在顯示器上呈現(xiàn)結(jié)果功率讀數(shù)。

可互換的傳感器，每個(gè)具有特定的性能特征，可以與特定的功率計(jì)單元連接。特定傳感器的選擇由功率測(cè)量的具體要求決定，例如頻率范圍、功率水平、調(diào)制類型和所需的準(zhǔn)確性。

功率計(jì)中的傳感器

在無線電話和高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中進(jìn)行功率測(cè)量時(shí)，肖特基二極管是主要選擇。圖2展示了肖特基二極管的結(jié)構(gòu)和射頻特性。如圖2a所示，肖特基二極管類似于半導(dǎo)體器件中的常規(guī)PN結(jié);然而，p型區(qū)域被金屬導(dǎo)體所替代，形成金屬-半導(dǎo)體結(jié)。

圖2b描繪了電流-電壓(I-V)關(guān)系。與PN結(jié)二極管類似，肖特基結(jié)表現(xiàn)出整流特性，但通過適當(dāng)摻雜n型區(qū)域，正向?qū)щ妿缀踉谑┘诱妷汉罅⒓磫?dòng)。這與PN結(jié)不同，后者需要大約0.6 V的正向偏置后，才開始顯著電流流動(dòng)。這種整流行為將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為一系列正半周期。當(dāng)這些半周期施加在電容器上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與入射射頻功率成正比的直流電壓。

圖2c展示了肖特基勢(shì)壘二極管探測(cè)器的代表性性能曲線。入射射頻功率(以dBm表示)在橫軸上描繪，范圍從噪聲底(約-70 dBm)到+20 dBm。在特定范圍內(nèi)，探測(cè)器的輸出電壓與射頻輸入功率呈線性關(guān)系。這個(gè)操作區(qū)域通常被稱為“平方律”區(qū)域，指的是二極管響應(yīng)的平方律特性。

當(dāng)輸入射頻功率超過大約-20 dBm時(shí)，二極管的傳輸函數(shù)偏離線性，進(jìn)入不同的操作狀態(tài)。圖2d展示了肖特基二極管性能隨著射頻輸入功率的變化而偏離平方律行為的情況。

超過+20 dBm的輸入射頻功率可能導(dǎo)致二極管的不可逆損壞。相反，在-70 dBm時(shí)，整流信號(hào)與肖特基二極管固有的噪聲底無差別。因此，在沒有外部衰減的情況下，功率測(cè)量的有效動(dòng)態(tài)范圍為90 dBm，從-70 dBm到+20 dBm。

許多采用肖特基二極管探測(cè)器的射頻功率計(jì)集成了一個(gè)精密的固定值電阻，在高功率水平下切換到信號(hào)路徑中。該電阻衰減將施加的信號(hào)降低到-20 dBm以下，確保在二極管的線性檢測(cè)區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。通過這種技術(shù)，肖特基二極管傳感器可以準(zhǔn)確測(cè)量高達(dá)+40 dBm的功率水平。對(duì)于更高功率水平的測(cè)量，可以在傳感器前級(jí)聯(lián)經(jīng)過校準(zhǔn)的外部衰減器，以擴(kuò)展可測(cè)量范圍。

由于制造變異，每個(gè)肖特基二極管在靈敏度(或探測(cè)靈敏度)上表現(xiàn)出輕微差異。二極管的傳輸函數(shù)對(duì)輸入功率水平也展示出一定程度的非線性。此外，其靈敏度受環(huán)境溫度和施加射頻信號(hào)的譜寬(或調(diào)制帶寬)的影響。這些參數(shù)變化(或器件特性)在每個(gè)傳感器的生產(chǎn)過程中被精確量化。

生成的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在集成在傳感器模塊中的電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)內(nèi)，如圖3所示。在這里，可以看到與肖特基二極管熱接近的熱敏電阻，它提供溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)。上述校正因子被傳輸?shù)焦β视?jì)，使其能夠?qū)︼@示讀數(shù)進(jìn)行必要的修正，從而確保測(cè)量準(zhǔn)確性。

用于手機(jī)系統(tǒng)功率測(cè)量的肖特基二極管

圖1所示的具體射頻功率計(jì)旨在評(píng)估在時(shí)分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)移動(dòng)通信中使用的調(diào)制射頻信號(hào)。其傳感器組件的功能原理圖如圖4所示。它在一個(gè)外殼內(nèi)整合了雙元素傳感器配置。

入射的射頻信號(hào)通過傳感器的二極管輸入連接器引入，經(jīng)過二極管探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過負(fù)載濾波網(wǎng)絡(luò)處理，定義低通頻率響應(yīng)。300 kHz帶寬選擇優(yōu)化用于基于TDMA的波形，例如符合全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)標(biāo)準(zhǔn)的波形。1.5 MHz帶寬設(shè)置適用于窄帶CDMA傳輸，而5 MHz帶寬選項(xiàng)則用于寬帶CDMA信號(hào)。

傳感器頭內(nèi)集成了兩個(gè)信號(hào)處理通道。主要通道稱為“時(shí)域”或“瞬時(shí)”路徑，支持高帶寬數(shù)據(jù)采集，使時(shí)間解析測(cè)量成為可能。該路徑允許時(shí)間門控，顯示幅度調(diào)制特性隨時(shí)間的變化。它代表了預(yù)配置或默認(rèn)的操作模式。

另一個(gè)通道，即“積分功率”或“總功率”路徑，提供總射頻功率的測(cè)量。該配置在確定整體功率水平時(shí)提供最高的準(zhǔn)確性，因?yàn)樗苊饬巳魏螡撛诘男盘?hào)衰減或由時(shí)間門控引入的截?cái)?。在此模式下，功率測(cè)量范圍為-65 dBm至+20 dBm。

功率計(jì)單元

圖1所示的功率計(jì)儀器具有雙輸入接口。單端口模型也可商業(yè)采購。來自傳感器的多個(gè)信號(hào)通過專用的屏蔽電纜傳輸?shù)焦β史治鰞x。

采用雙端口配置的好處在于能夠同時(shí)獲取兩個(gè)獨(dú)立信號(hào)。這種能力在放大器特性測(cè)量等應(yīng)用中尤為有利。一個(gè)端口可以專門用于測(cè)量輸入功率水平，而另一個(gè)則量化輸出功率水平。

功率分析儀(或功率傳感器和計(jì)量表)可以計(jì)算并呈現(xiàn)輸出功率與輸入功率的比率，從而確定放大器的增益(或放大因子)?；蛘撸鐖D1中的功率計(jì)顯示所示，可以使用一個(gè)通道(端口)測(cè)量并顯示峰值包絡(luò)功率(PEP)，同時(shí)使用另一個(gè)通道(端口)測(cè)量并顯示平均功率(Pavg)。

雙端口測(cè)量的優(yōu)勢(shì)

采用雙通道配置的好處在于能夠同時(shí)獲取兩個(gè)不相關(guān)的信號(hào)。這在放大器特性測(cè)量等場(chǎng)景中特別有利。一個(gè)通道可以量化輸入功率水平，而另一個(gè)測(cè)量輸出功率水平。功率分析儀可以計(jì)算并呈現(xiàn)輸出功率與輸入功率的比率，代表放大器的增益因子。反之，如圖1中的功率計(jì)顯示所示，峰值輸出功率可以從一個(gè)輸入通道捕獲并顯示，而另一個(gè)輸入通道測(cè)量并顯示平均功率(均值功率)。

校準(zhǔn)和歸零程序

功率計(jì)配備一個(gè)50 MHz、1 mW的參考振蕩器，該振蕩器可追溯到NIST標(biāo)準(zhǔn)。該參考信號(hào)用于校準(zhǔn)功率計(jì)及其相關(guān)傳感器。在進(jìn)行測(cè)量之前，傳感器(或傳感器依次)連接到功率參考輸出，使儀器能夠執(zhí)行自動(dòng)自校準(zhǔn)程序。進(jìn)一步的準(zhǔn)備步驟是“歸零”傳感器，在信號(hào)測(cè)量之前。在此歸零過程中，禁用所有輸入信號(hào)功率，并補(bǔ)償由溫度變化引起的任何傳感器偏移。當(dāng)嘗試在測(cè)量高功率信號(hào)后立即測(cè)量極低水平信號(hào)時(shí)，此程序尤為關(guān)鍵。高功率信號(hào)的殘余能量可能會(huì)導(dǎo)致傳感器的熱漂移，從而在后續(xù)讀數(shù)中引入輕微的直流偏移。

功率分析儀不僅限于提供離散的功率讀數(shù);它們還能夠可視化功率包絡(luò)隨時(shí)間的變化。圖5展示了脈沖信號(hào)的特性，描繪了脈沖前沿和后沿的功率幅度及時(shí)間特性。另一個(gè)測(cè)量能力是確定信號(hào)的峰值功率(或峰值包絡(luò)功率，PEP)。重要的是，準(zhǔn)確評(píng)估峰值功率(與平均功率評(píng)估相對(duì))需要考慮探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間。這通常以傳感器的視視頻帶寬(VBW)或調(diào)制帶寬表示。VBW指定探測(cè)器能夠準(zhǔn)確跟蹤幅度變化的最大調(diào)制頻率。

舉個(gè)例子，如果兩個(gè)音調(diào)之間有10 MHz的頻率差，結(jié)果信號(hào)的幅度包絡(luò)將以10 MHz進(jìn)行正弦調(diào)制。嘗試使用具有5 MHz VBW的探測(cè)器捕獲此復(fù)合信號(hào)的峰值功率將導(dǎo)致不準(zhǔn)確的結(jié)果，因?yàn)樘綔y(cè)器的時(shí)間分辨率不足以分辨10 MHz的包絡(luò)調(diào)制。測(cè)得的峰值幅度將被低估，最小幅度將被高估，因?yàn)樘綔y(cè)器無法忠實(shí)重現(xiàn)信號(hào)幅度包絡(luò)的快速變化。然而，測(cè)量該幅度調(diào)制信號(hào)的平均功率仍將提供正確的讀數(shù)，因?yàn)樘綔y(cè)器限制所引起的正負(fù)誤差將在很大程度上相互抵消。傳感器的VBW主要影響瞬時(shí)或極端功率測(cè)量的準(zhǔn)確性，例如峰值或最小值。