選擇RF或微波功率傳感器/ 功率計(jì)

引言：從普及的手機(jī)到完善的雷達(dá)系統(tǒng)，功率測(cè)量是任何RF或微波產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的基礎(chǔ)。毫不奇怪的是，除了應(yīng)用以外，調(diào)制范圍和復(fù)用方式變化也非常大。這種情況再加上以前為高端分析儀預(yù)留的功率計(jì)中提供的各種新功能，使得RF或微波功率測(cè)量系統(tǒng)的選擇比以前更加復(fù)雜。由于制造商產(chǎn)品技術(shù)資料中提供的產(chǎn)品和技術(shù)數(shù)據(jù)變化很大，因此在制訂采購(gòu)決策前，評(píng)價(jià)功率傳感器的最佳途徑是進(jìn)行對(duì)照比較。本應(yīng)用指南將介紹購(gòu)買(mǎi)USB功率傳感器時(shí)要考慮的部分因素。

要考慮的基本因素
選擇USB功率傳感器涉及許多與傳統(tǒng)功率計(jì)和傳感器相同的指標(biāo)，頻率范圍、動(dòng)態(tài)范圍、準(zhǔn)確度、清零和校準(zhǔn)、測(cè)量速度和觸發(fā)等因素對(duì)選型過(guò)程仍至關(guān)重要。

頻率范圍——率傳感器的頻率范圍非常廣，覆蓋從幾kHz～110GHz的頻率范圍。最常用的頻率范圍是6GHz～20GHz。由于功率傳感器是寬帶檢測(cè)器，因此它們?cè)谡麄€(gè)頻率范圍內(nèi)檢測(cè)輸入上所有RF功率。傳感器內(nèi)部存儲(chǔ)的校準(zhǔn)表會(huì)考慮傳感器的頻響變化。

動(dòng)態(tài)范圍——態(tài)范圍是傳感器能夠進(jìn)行實(shí)用測(cè)量的功率范圍。這個(gè)范圍取決于采用的傳感器技術(shù)類(lèi)型。基于二極管的傳感器動(dòng)態(tài)范圍最寬，通常在-60dBm～+20dBm或更高。寬動(dòng)態(tài)范圍與快速響應(yīng)時(shí)間相結(jié)合，使二極管成為大多數(shù)應(yīng)用首選的解決方案。通過(guò)使用校正因數(shù)及使用多條二極管路徑，二極管傳感器把二極管的實(shí)用范圍擴(kuò)展到平方律區(qū)域之外，實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍。在使用多條路徑時(shí)，在這些路徑之間切換使用的方法可能會(huì)影響線(xiàn)性度。大多數(shù)傳感器次測(cè)量一條路徑，在某個(gè)門(mén)限上切換，一般是在范圍中點(diǎn)周?chē)?。這個(gè)跳變點(diǎn)變成潛在的不連續(xù)點(diǎn)或粘滯值，可能會(huì)導(dǎo)致非線(xiàn)性度或測(cè)量延遲。泰克功率計(jì)同時(shí)連續(xù)數(shù)字化兩條路徑，在跳變點(diǎn)上使用加權(quán)后的平均值。這可以在多條測(cè)量通道之間實(shí)現(xiàn)平滑連續(xù)跳變，在所有時(shí)間提供傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，而沒(méi)有不連續(xù)點(diǎn)。

與基于二極管的傳感器相比，基于熱敏電阻的傳感器的動(dòng)態(tài)范圍有限，在-20dBm～+10dBm之間；而電熱偶傳感器的動(dòng)態(tài)范圍一般則在-35dBm～+20dBm之間。

大多數(shù)功率傳感器典型的最大輸入功率是+20～+23dBm。如果超過(guò)這個(gè)值，則會(huì)損壞傳感器?？梢允褂霉β仕p器和耦合器，降低功率傳感器輸入上的最大功率，位移傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。這有助于減少可能發(fā)生的意外損壞，但使用功率衰減器會(huì)在傳感器和衰減器之間增加反射。這些反射會(huì)降低測(cè)量準(zhǔn)確度，要求正確匹配及更多的設(shè)置時(shí)間，來(lái)校準(zhǔn)VSWR不匹配。

準(zhǔn)確度——整體準(zhǔn)確度是多種誤差來(lái)源的綜合結(jié)果，一般通過(guò)以標(biāo)準(zhǔn)化方式綜合多種誤差計(jì)算得出。這些誤差來(lái)源包括：傳感器到DUT不匹配、校準(zhǔn)因數(shù)、線(xiàn)性度、噪聲、溫度和零偏置。盡管全面討論這些來(lái)源超出了本應(yīng)用指南的范疇，但應(yīng)該指出，這些誤差因素通常以RSS方式組合在一起。與泰克一樣，大多數(shù)制造商遵守《ISO測(cè)量不確定度表達(dá)指引》，其中全面詳細(xì)地解釋了多種不確定因素怎樣組合在一起。功率傳感器的整體準(zhǔn)確度在2%～5%之間，具體視制造商及采用的檢測(cè)技術(shù)類(lèi)型而定。

清零和校準(zhǔn)——校準(zhǔn)功率傳感器時(shí)，要求把傳感器連接到外部參考源上。清零傳感器通常要求把傳感器從被測(cè)器件上斷開(kāi)。清零和校準(zhǔn)要求是重要的考慮因素，因?yàn)檫@些要求會(huì)提高測(cè)試時(shí)間，增加費(fèi)用，特別是在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，每一秒都至關(guān)重要。如果功率傳感器要求定期清零或校準(zhǔn)，那么ATE 系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)成適應(yīng)這些程序。這通常要求結(jié)合使用昂貴的開(kāi)關(guān)、手動(dòng)設(shè)置程序或?qū)Ｓ密浖Ｐ?zhǔn)要求使用外部參考源，清零通常要求用戶(hù)斷開(kāi)被測(cè)器件。

泰克功率計(jì)完全消除了用戶(hù)清零和校準(zhǔn)，提供了完美的測(cè)量穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，縮短了測(cè)試時(shí)間，減少了連接器磨損，降低了軟件和開(kāi)關(guān)硬件。泰克PSM 功率計(jì)采用已獲專(zhuān)利的技術(shù)，確保在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性和校準(zhǔn)，在變化的環(huán)境溫度中，其準(zhǔn)確度要超過(guò)市場(chǎng)上任何其它傳感器。大多數(shù)其它功率傳感器要求清零，至少在某些條件下，如環(huán)境溫度變化或在測(cè)量低電平信號(hào)時(shí)。請(qǐng)查閱儀器用戶(hù)手冊(cè)，確認(rèn)要求清零或校準(zhǔn)的情況。

測(cè)量速度——功率傳感器一般會(huì)指定與測(cè)量速度有關(guān)的多個(gè)參數(shù)，使用的術(shù)語(yǔ)在不同制造商之間會(huì)變化。產(chǎn)品技術(shù)資料上經(jīng)常看到的部分典型術(shù)語(yǔ)有“采樣率”、“讀取速率”、“測(cè)量速率”。采樣率是模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換發(fā)生的速率。讀取速率說(shuō)明儀表可以以多快的速度把原始樣點(diǎn)轉(zhuǎn)換成測(cè)量數(shù)據(jù)。這些都是重要的指標(biāo)，但根本問(wèn)題是：“我可以以多快的速度得到穩(wěn)定的測(cè)量數(shù)據(jù)？”傳感器的采樣率有助于確定傳感器測(cè)量脈沖特點(diǎn)的能力，但采樣率高并不能直表示快速穩(wěn)定的測(cè)量。讀取速率對(duì)測(cè)量速度有著更直接的影響，但它可能并不能準(zhǔn)確地反映儀器提供穩(wěn)定的功率測(cè)量的速率。穩(wěn)定的測(cè)量不僅取決于采樣率，還取決于信號(hào)噪聲、信號(hào)幅度、傳感器結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定測(cè)量要求的整合時(shí)間。例如，功率計(jì)的實(shí)時(shí)采樣率是500K樣點(diǎn)/秒，讀取速率約為每秒讀取2000次。即使在-40dBm時(shí)，泰克泰克PSM3000功率計(jì)仍能在大約1 毫秒內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定測(cè)量。PSM4000和PSM5000功率計(jì)可以在大約250μs內(nèi)，在動(dòng)態(tài)范圍低端獲得穩(wěn)定測(cè)量。在相同功率電平上，普通傳感器的典型穩(wěn)定時(shí)間一般在1-4秒。在評(píng)價(jià)功率傳感器的測(cè)量速度時(shí)，最好對(duì)照比較這些傳感器，而不是單純看產(chǎn)品技術(shù)資料。

觸發(fā)——對(duì)大多數(shù)基本功率測(cè)量來(lái)說(shuō)，觸發(fā)并不是一種關(guān)鍵功能。但是，如果您需要在脈沖式信號(hào)的某個(gè)部分上進(jìn)行測(cè)量，或想努力縮短高吞吐量ATE系統(tǒng)的測(cè)試時(shí)間，那么觸發(fā)是需要考慮的一個(gè)重要因素?；竟β蕚鞲衅饔|發(fā)通常由外部TTL 輸入組成。這可以用來(lái)把功率測(cè)量與其它儀器同步，如信號(hào)發(fā)生器、網(wǎng)絡(luò)分析儀、示波器或其它功率傳感器。在自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用中，外部同步測(cè)量的能力對(duì)縮短測(cè)試時(shí)間、最大限度地提高吞吐量至關(guān)重要。功率計(jì)包括一個(gè)觸發(fā)輸入和一個(gè)觸發(fā)輸出，優(yōu)化了測(cè)試速度。這個(gè)觸發(fā)輸出可以告訴您傳感器什么時(shí)候執(zhí)行測(cè)量，并把這些信息傳送給沿線(xiàn)的其它儀器。

新型傳感器還提供了更加先進(jìn)的功率電平觸發(fā)功能。這些傳感器可以相對(duì)于輸入RF信號(hào)實(shí)現(xiàn)測(cè)量同步。在測(cè)量脈沖式信號(hào)，進(jìn)行突發(fā)測(cè)量時(shí)，這種觸發(fā)非常重要。我們將在本應(yīng)用指南“突發(fā)測(cè)量和脈沖曲線(xiàn)”部分進(jìn)一步對(duì)此展開(kāi)探討。

測(cè)量功能
為應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)墓β蕚鞲衅髅黠@取決于您需要測(cè)量的信號(hào)特點(diǎn)。但在某種程度上，您可以經(jīng)濟(jì)地測(cè)量的項(xiàng)目也可能會(huì)引導(dǎo)您的測(cè)試戰(zhàn)略。傳感器的測(cè)量功能包括基本平均功率測(cè)量直到您希望從矢量信號(hào)分析儀或?qū)Ｓ妹}沖分析儀中看到、但可能沒(méi)有預(yù)期從功率傳感器中看到的詳細(xì)脈沖特點(diǎn)。

平均功率測(cè)量
大多數(shù)功率計(jì)能夠在連續(xù)(CW)信號(hào)上提供準(zhǔn)確的平均功率測(cè)量功能。這些常見(jiàn)信號(hào)擁有恒定的幅度和頻率。它們相對(duì)并不復(fù)雜，大多數(shù)USB 功率傳感器都能執(zhí)行平均功率測(cè)量。圖3是連續(xù)波信號(hào)實(shí)例。所有功率計(jì)都能準(zhǔn)確地測(cè)量平均功率。盡管所有USB 功率傳感器都能測(cè)量平均功率，但有一個(gè)子集，其平均功率測(cè)量稱(chēng)為“真實(shí)平均功率”或“真實(shí)RMS”。

什么是真實(shí)平均功率測(cè)量？

真實(shí)平均功率測(cè)量提供傳感器上發(fā)生的總功率，而不管輸入信號(hào)的調(diào)制帶寬是多少?？梢允褂脦в袩崃繖z測(cè)單元或在平方律區(qū)域內(nèi)使用二極管檢測(cè)器，來(lái)測(cè)量真實(shí)平均功率。熱量傳感器根據(jù)RF能量產(chǎn)生的熱量生成真實(shí)平均功率測(cè)量數(shù)據(jù)。真實(shí)平均功率二極管檢測(cè)器包括整合檢測(cè)器收到的能量使用的電容，進(jìn)而獲得近似于熱量傳感器獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)。

由于泰克泰克PSM3000功率計(jì)是真實(shí)平均功率傳感器，因此它們特別適合在寬帶調(diào)制信號(hào)上執(zhí)行測(cè)量，可以測(cè)量傳感器輸入上發(fā)生的所有RF能量，而不管功率是脈沖式的、CW、AM/FM、還是采取復(fù)合調(diào)制格式。

測(cè)量脈沖式RF 和微波信號(hào)
選擇傳感器分析脈沖式信號(hào)帶來(lái)了更廣泛的一套備選方案和某些額外的考慮因素。脈沖式信號(hào)在RF應(yīng)用中非常流行，如在雷達(dá)及采用時(shí)間復(fù)用的數(shù)字通信格式中。

在測(cè)量脈沖式信號(hào)時(shí)，用戶(hù)可能仍會(huì)關(guān)心整個(gè)信號(hào)的平均功率，但脈沖的特點(diǎn)變得更加重要。了解脈沖內(nèi)部包含的平均功率和峰值功率，是檢定功放及脈沖式系統(tǒng)中其它信號(hào)路徑要素的關(guān)鍵組成部分。