基于二極管檢波的功率測(cè)量技術(shù)研究

圖4 典型峰值功率測(cè)量通道原理框圖

峰值功率測(cè)量通道典型原理如圖4所示，二極管輸出的檢波信號(hào)首先進(jìn)入低噪聲前置放大器，經(jīng)濾波和帶寬控制后一路進(jìn)入后置放大電路，然后進(jìn)入高速ADC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，另一路進(jìn)入觸發(fā)和精密內(nèi)插電路，通過比較電路產(chǎn)生同步觸發(fā)時(shí)鐘信號(hào)，最后由DSP或CPU 完成數(shù)據(jù)的補(bǔ)償和信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)功率脈沖各種時(shí)域參數(shù)[3]的自動(dòng)測(cè)量和統(tǒng)計(jì)分析，并最終顯示給用戶。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高儀器的動(dòng)態(tài)范圍，常常根據(jù)檢波信號(hào)的大小，利用開關(guān)電路將信號(hào)進(jìn)行高低量程切換，即將信號(hào)分為兩路，分別經(jīng)不同放大電路進(jìn)行處理，或者直接采用大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)放大電路放大檢波信號(hào)，這既保證了小信號(hào)的測(cè)量靈敏度，又保證了大動(dòng)態(tài)范圍，最后再由ADC將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳給DSP進(jìn)行量程識(shí)別和處理。為了以較低的采樣速率獲得較高的重復(fù)信號(hào)測(cè)量帶寬，現(xiàn)代峰值功率測(cè)量?jī)x器常采用隨機(jī)采樣技術(shù)，利用精密內(nèi)插電路，大大提高了脈沖功率測(cè)量的時(shí)間分辨率，可進(jìn)行納秒級(jí)上升時(shí)間和脈沖寬度等時(shí)間參數(shù)的測(cè)量。

3、復(fù)雜調(diào)制信功率測(cè)試的新需求

得益于半導(dǎo)體和計(jì)算技術(shù)不斷發(fā)展，二極管逐漸成為傳感功率的主要元件，平衡配置的二極管檢波探頭的視頻帶寬可達(dá)100MHz，其技術(shù)已相對(duì)成熟，技術(shù)更新日趨減緩。基于此，功率測(cè)量的發(fā)展重點(diǎn)集中在對(duì)新興數(shù)字調(diào)制信號(hào)的測(cè)量與分析以及測(cè)量設(shè)備的小型化和模塊化上。

一方面，隨著數(shù)字通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，涌現(xiàn)出大量的數(shù)字矢量調(diào)制技術(shù)[4]，如PSK、8-PSK、GMSK、16QAM、pi/4-DQPSK等，這些信號(hào)已經(jīng)逐漸從早期對(duì)載波的幅度調(diào)制，過度到對(duì)載波相位和幅度的綜合調(diào)制。現(xiàn)代通信常常采用復(fù)用和多址技術(shù)，在時(shí)域上，這些信號(hào)的功率包絡(luò)也從簡(jiǎn)單的周期性脈沖信號(hào)過渡到占空比和脈沖功率同時(shí)變化的信號(hào)，有的甚至沒有明顯的脈沖包絡(luò)，時(shí)域波形與隨機(jī)噪聲非常類似（如CDMA、WLAN 802.11a），并且具有超過50dB的峰均功率比。這些新型調(diào)制技術(shù)對(duì)儀器的視頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍、實(shí)時(shí)采樣速率提出了更高的要求，同時(shí)要求儀器能夠?qū)崿F(xiàn)多種觸發(fā)功能，從而可以自動(dòng)識(shí)別幀模式信號(hào)的有效載荷，并結(jié)合特定的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理方法分析信號(hào)的功率特性，如PDF（概率密度函數(shù)）、CCDF（互補(bǔ)累積分布函數(shù)）等統(tǒng)計(jì)分析工具。

以TD-SCDMA為例，TD-SCDMA是我國提出的一種移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，該技術(shù)綜合應(yīng)用了頻分、時(shí)分和碼分多址技術(shù)，其時(shí)分技術(shù)允許基站和移動(dòng)終端分時(shí)使用同一個(gè)頻帶，碼分多址技術(shù)允許16個(gè)用戶共享一個(gè)時(shí)隙，其典型時(shí)域波形如圖5所示。圖中3個(gè)有效時(shí)隙的功率電平和峰均功率比各不相同，并且各個(gè)時(shí)隙的功率電平表現(xiàn)為類似噪聲的信號(hào)，因此在測(cè)量TD-SCDMA信號(hào)時(shí)，必須能夠準(zhǔn)確測(cè)量各個(gè)時(shí)隙的時(shí)間寬度、上升時(shí)間、下降時(shí)間，各時(shí)隙的峰值功率、平均功率和峰均功率比，并利用統(tǒng)計(jì)分析功能檢查各有效時(shí)隙是否存在元件非線性引起的削波或壓縮現(xiàn)象。在測(cè)量此類信號(hào)時(shí)，必須保證30MHz以上的視頻帶寬，采用100MSPS以上的采樣率和大于50dB的動(dòng)態(tài)范圍，采用時(shí)間門或標(biāo)記功能對(duì)有效載荷進(jìn)行獨(dú)立的功率測(cè)量和功率統(tǒng)計(jì)分析，這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字調(diào)制信號(hào)的正確測(cè)量和分析。

圖5 TD-SCDMA功率包絡(luò)時(shí)域波形

微波功率測(cè)量?jī)x器在向?qū)拕?dòng)態(tài)范圍、大視頻帶寬和高采樣速率發(fā)展的同時(shí)，還逐漸向小型化和模塊化方向發(fā)展。目前， VXI微波功率測(cè)量模塊已經(jīng)獲得普遍應(yīng)用，PXI功率測(cè)量模塊也已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)。由于部分探頭內(nèi)部采用高穩(wěn)定的直流參考電路，已經(jīng)不需要校準(zhǔn)源進(jìn)行線性校準(zhǔn)，這使得基于USB接口的平均功率探頭開始出現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)方案不需要功率計(jì)主機(jī)，無需頻繁利用校準(zhǔn)源進(jìn)行校準(zhǔn)，功率探頭直接或經(jīng)過適配器連接到計(jì)算機(jī)、PDA或其他測(cè)量?jī)x器的USB主機(jī)接口，主機(jī)利用內(nèi)部主控軟件即可實(shí)現(xiàn)功率顯示和參數(shù)設(shè)置，這大大縮減了測(cè)試步驟，非常利于搭建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。相信隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，具有多種觸發(fā)功能的USB峰值功率探頭和具有顯示和小鍵盤輸入的手持式功率測(cè)量設(shè)備也將出現(xiàn)，這無疑會(huì)極大方便現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用和測(cè)試系統(tǒng)的組建。

4、結(jié)束語

二極管功率檢波具有較好的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍，并且能夠快速響應(yīng)信號(hào)的包絡(luò)變化，已經(jīng)逐漸取代熱敏電阻和熱電偶成為傳感微波功率的主要手段。現(xiàn)代峰值功率測(cè)量?jī)x器采樣速率可達(dá)到100MSPS，通道帶寬達(dá)到30MHz，最小可測(cè)脈沖寬度達(dá)10ns，動(dòng)態(tài)范圍一般超過50dB，甚至達(dá)到60dB[1,5]，可進(jìn)行多種脈沖功率參數(shù)的測(cè)量，如峰值功率、平均功率、頂部幅度、底部幅度[3]、上升時(shí)間、下降時(shí)間、脈沖寬度、占空比、脈沖重復(fù)頻率等。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了準(zhǔn)確測(cè)量射頻和微波功率，必須在掌握被測(cè)信號(hào)特性和測(cè)試需求的基礎(chǔ)上，了解功率探頭檢波特性、主機(jī)測(cè)量通道及數(shù)據(jù)分析和處理能力。特別是在數(shù)字矢量調(diào)制信號(hào)的功率測(cè)量應(yīng)用中，必須根據(jù)信號(hào)頻率范圍、功率范圍、功率電平、信號(hào)的頻譜功率總量以及調(diào)制形式等因素，在明確測(cè)量不確定度的基礎(chǔ)上，選擇恰當(dāng)?shù)墓β蕼y(cè)量解決方案。