基于多通道二極管功率探頭實現精確功率測量

長期以來，功率計都是由功率計主機和經電纜連接的外部功率探頭組合在一起。在功率探頭中射頻信號被轉換成電壓信號，經過放大，然后數字化，并在主機中顯示。

此類功率計中，功率探頭和功率計主機之間是純模擬傳輸。這種方法的優點是可以為當前的任務選擇合適的功率探頭，而不需要新的功率計主機。但是其固有的缺點是功率探頭不能獨立工作，沒有主機則無法使用。

然而，隨著元器件日益微型化，以及現在小型、節能處理器的性能不斷提升，情況已經改變。同時，現在能夠將功率計制作成小型、集成單元，并且可通過標準的 USB接口直接將其連接到PC或功率計主機。這種情況下，主機不進行任何模擬信號處理,而是主要用于操作功率計和顯示測量值。這種解決方案有顯而易見的優 點：集成的功率計不再由多個組件構成，能夠在制造過程中對整個功率計進行特性描述。這就不需要像傳統方法那樣，在測量前使用參考信號校準探頭和主機了。

此外，信號處理對有害的干擾不再那么脆弱，因為信號處理是在集成元件內部進行的，而且功率探頭現在僅需在信號幅度非常小的時候進行調零。

探頭技術

功率計可基于不同技術制造，這些技術覆蓋的頻率范圍可擴展到100GHz以上，功率范圍從100pW到幾十W。

當今，在功率計中主要采用以下技術：

• 熱-電檢波器

• 多通道二極管檢波器

• 使用二極管檢波的寬帶或峰值探頭

• 使用二極管檢波并集成對數檢波的連續波探頭

熱耦探頭使用電阻將輸入的射頻功率轉換成熱量。然后根據這個電阻和它周圍環境間的溫度差計算出射頻功率。熱耦探頭的主要缺點是測試速度慢，不能顯示功率包 絡。由于熱耦探頭的工作方式，它僅能夠用于測量大約300nW以上的功率,動態范圍因此受到限制。基于二極管的功率探頭能夠克服這一缺點,可以提供高達 90dB的動態范圍。根據它們的實現方式，某些基于二極管的功率探頭也能夠測量高達幾十MHz帶寬的功率包絡。

基于二極管的功率探頭，使用RMS檢波器將射頻信號轉換成電壓信號。在功率低于-20dBm以下時，該檢波器在射頻信號和輸出電壓之間呈現線性關系。

這個區域稱為平方律區域。這里，二極管檢波器的特性多少有些像熱檢波器，并且基本上不受諧波和幅度調制影響。超出這個信號電平，射頻信號和檢波器輸出電壓之 間的線性關系不再存在。僅當信號帶寬小于檢波器帶寬時，可以在這個區域內進行精確的功率測量。此外，將每個測量值用于進一步計算前，必須將該值線性化。

解決方案：多通道二極管功率探頭

在制造大動態范圍的通用功率計時, 為了擴展二極管檢波器的優勢，需要采用多種技術。

首先，串聯連接幾個二極管，形成所謂的“棧”，這將提高10dB•log(N)的動態范圍，這里的N等于二極管的數目。此外，具有不同衰減值的兩條或三條獨立測量通道被集成進功率探頭。

根據輸入的射頻電平，探頭選擇性能最佳的通道。通道間可以采用硬切換，但是硬切換會帶來遲滯。采用羅德與施瓦茨NRP-Z探頭則可以實現通道間平滑過渡。這 種方法有許多優點，包括避免信號臺階，由于消除了遲滯有較好的重復性，以及不中斷測量功率包絡的能力。此外，在過渡區S/N比上有高達6dB的改善。

圖 1：由于通道加權處理，在過渡區改善了精度

圖 1是兩個通道的過渡區的測量不確定度{不確定度}，顯示了硬切換和平滑過渡兩種情況。藍色曲線描述靈敏度較高的測量通道，這個通道以切換點為測量上限。在 切換點往上，由于諧波或調制的影響，測量不確定度迅速增加。紅色曲線描述靈敏度較低的通道這個通道以切換點為測量下限，當電平降低時，由于噪聲零點漂移引 起該通道的測量不確定度增加。由于在切換區域內的平滑過渡，得到更快的測量速度和更好的性能。

經過大量在多通道二極管功率探頭研發上的努力，我們在一定程度上取得了成功。今天，這些功率探頭幾乎達到了熱耦探頭的精度，同時還提供更大的動態范圍和更快的測量速度。集成功率計的生產使得同時工作的多通道探頭成為現實。

測量精度

探頭的質量反映在它的測量精度上。對于功率探頭，參考條件下的典型指標規定了探頭能達到的測量精度。因此，熟悉生產廠家的技術規格非常重要，以便確定存在哪些附加誤差來源會影響給定信號類型的測量。用戶也應注意以下方面：

• 連接器的良好連接

• 調零時, 必須關閉射頻信號

• 被測設備(DUT)良好的阻抗匹配

• 正確設置射頻頻率

如果用戶來配置測量參數，必須確保正確設置所有相關參數。最重要的參數之一是平均濾波器長度。增加該濾波器長度將降低噪聲電平，但會增加測量時間。應按照生產廠家提供的技術規范選擇最佳設置值。

下面基于來自羅德與施瓦茨公司的RS NRP-Z21為例，得到如下關系。在這里，將測量5GHz，-40dBm(100nW)的連續波信號。這里，功率探頭使用最靈敏的測量通道。生產廠家的 數據表能夠為給定信號的絕對不確定度提供參考。該數值包括校準不準確，非線性和溫度影響。

在功率探頭技術規格表中不同通道的零點漂移值不相同，靈敏度最高的通道零點漂移值為100 pW，在本例中可以忽略這個誤差因子。因此，不需要手動調零。

在產品數據表中規定了噪聲電平與系數, 系數與預設的積分時間有關。用戶可以按照積分時間來計算噪聲電平，這里噪聲電平還需乘以系數sqrt(10.24/Tmeas)。