面向非專業(yè)的射頻測量技術(shù)基礎(chǔ)

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。

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)唷⒐β史糯笃骰蚬β示w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。