面向非專業(yè)的射頻測量技術(shù)基礎(chǔ)

引言

當(dāng)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。從蜂窩電話和無線PDA，到支持WiFi的筆記本電腦、藍牙耳機、射頻身份標(biāo)簽、無線醫(yī)療設(shè)備和ZigBee傳感器，射頻設(shè)備的市場規(guī)模在飛速擴大。僅從今年來看，全球制造并銷售的蜂窩電話將高達8.5億多只。

要想進行全面的生產(chǎn)測試并提高測試產(chǎn)能，測試工程師們必須要理解射頻基本原理，清楚測試的內(nèi)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(yīng)用(工作頻率在1MHz以下)的工程師不太熟悉高頻的應(yīng)用特點。

射頻術(shù)語：您必須掌握的“工作語言”

忘掉電壓，射頻工程師常用功率

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。

采用分貝進行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行加減。因此，乘法操作簡化為加法操作。dB的形式化定義為：

dB = 10 log (Pout/Pin)

分貝dB是一個相對的值。另一個相關(guān)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(yīng)的瓦特數(shù)，其中還給出了移動電話的發(fā)射機發(fā)射功率參考范圍，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)。

Noise Floor：本底噪聲

常見問題不再是輸入阻抗，而是傳輸線的阻抗失配

在低頻情況下，我們在電路上傳輸電壓的目標(biāo)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(yīng)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(dāng)成波來理解。如果波受到阻斷，部分波信號就會發(fā)生反射。射頻傳輸?shù)哪繕?biāo)就是無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(guān)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。

圖1給出了dBm的值及其相應(yīng)的瓦特數(shù)其中還給出了移動電話的發(fā)射機發(fā)射功率參考范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

在射頻應(yīng)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內(nèi)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(dǎo)線的幾何結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線的屬性以及包裹或隔離導(dǎo)線的絕緣體。對于射頻應(yīng)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)內(nèi)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)。大部分射頻無線傳輸系統(tǒng)都是針對功率傳輸而進行設(shè)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(yīng)用中的射頻線纜和組件都是基于50歐姆特征阻抗而設(shè)計的。相反，當(dāng)阻抗匹配時，就實現(xiàn)了最佳的功率傳輸。

如果某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，那么就會引起信號反射和反向傳輸。如果阻抗相同，就不會發(fā)生反射。當(dāng)由于阻抗不連續(xù)而發(fā)生信號發(fā)射時，就會在傳輸線的兩個方向上出現(xiàn)信號波的傳輸。在這兩個波相位相同的點上，將出現(xiàn)最大的電壓幅值Vmax;在它們相位相差180度的點上，將出現(xiàn) Vmin。Vmax和Vmin的比值稱為電壓駐波比，即VSWR。VSWR是衡量某個連接器或某條線纜的阻抗是否接近50歐姆的一個指標(biāo)。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(guān)系。

圖3給出了理想情況下全匹配理想開路以及極端情況下這三個值之間的關(guān)系

Return Loss：回波損耗

Reflected Power：反射功率

熟悉掌握新型的連接器、線纜和元件

帶BNC連接器的電纜通常在500MHz以上就開始衰減。在射頻領(lǐng)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(dǎo)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(dǎo)線相互接觸，而且要求連接器也要正確的扭轉(zhuǎn)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(shù)語稱為插入損耗)。

在整個測試系統(tǒng)中保證50歐姆的傳輸線

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(guān)鍵的。射頻開關(guān)的制作都采用精密加工，以確保整個開關(guān)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分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，那么不要被這些復(fù)雜的情況所嚇倒。射頻元件比同樣的直流元件成本要高得多。