一種精確產(chǎn)生射頻、微波功率的解決方案介紹

電平控制探頭可以精確產(chǎn)生所需要的信號(hào)功率，可用于頻譜儀、接收機(jī)等儀器的計(jì)量，也可以用于精確的系統(tǒng)增益評(píng)估等應(yīng)用。傳統(tǒng)的校準(zhǔn)解決方案都是采用外置功分器并外接功率計(jì)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)精確功率的產(chǎn)生。

一、精確控制輸出功率的傳統(tǒng)解決方案

信號(hào)源的真實(shí)輸出功率總會(huì)隨著時(shí)間、頻率有微小的變化，要使到達(dá)被測(cè)件的功率盡可能精確，就需要實(shí)時(shí)地對(duì)輸出功率進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)的功率探頭無(wú)法單獨(dú)完成這樣的工作，必須外接功分器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，其中UUT為被測(cè)單元，如接收機(jī)、頻譜儀或者需要精準(zhǔn)功率的射頻微波模塊。

圖1. 外接功分器的解決方案

這種方法可以在調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出功率的同時(shí)，監(jiān)控到達(dá)UUT的輸入功率，但是由于外接功分器的駐波特性的不理想，對(duì)信號(hào)源輸出信號(hào)的不確定度有影響，對(duì)UUT端口的實(shí)際功率無(wú)法精確的控制。

為了精確的控制到達(dá)被測(cè)單元的功率值，必須在UUT處放置另一臺(tái)功率計(jì)或功率探頭來(lái)保證精度。測(cè)試配置如圖2所示。信號(hào)源輸出經(jīng)過(guò)功分器，在一個(gè)端口用探頭A監(jiān)測(cè)，另一個(gè)端口UUT接收，但需要另一個(gè)探頭B來(lái)保證精度，信號(hào)電平精度得到了保證，但是配置和測(cè)試過(guò)程復(fù)雜，成本高。

圖2. 實(shí)時(shí)監(jiān)控UUT輸入功率值的測(cè)試配置

二、NRP系列功率探頭的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的功率測(cè)量必須具備功率計(jì)主機(jī)以及不同頻率和功率測(cè)試范圍的功率探頭，才能完成測(cè)試，在測(cè)試前還需要用一個(gè)0dBm的校準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行功率計(jì)校準(zhǔn)。

R&S NRP系列功率探頭采用了全新的智能功率測(cè)量技術(shù)，探頭本身就是一臺(tái)功率計(jì)，探頭后面的連接線僅用來(lái)傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了功率測(cè)量和數(shù)據(jù)處理的一體化，測(cè)量前只需在探頭空載時(shí)進(jìn)行清零操作，便可開(kāi)始精確的功率測(cè)量，可以測(cè)量平均功率、時(shí)隙功率、突發(fā)功率等，如果采用NRP-Z81峰值探頭，還可以實(shí)現(xiàn)峰值功率測(cè)量，可測(cè)量的最小脈沖分辨率達(dá)到了12.5ns，最大帶寬為30MHz。

先進(jìn)的技術(shù)使得NRP系列功率探頭的應(yīng)用更為方便靈活，典型應(yīng)用方式為以下三種：

a) 可以直接連接功率計(jì)主機(jī)，得到功率測(cè)試結(jié)果;

b) 通過(guò)USB接口與PC相連，使用軟件NRPview或編程實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量;

c) 連接R&S 公司的信號(hào)源、頻譜儀、矢網(wǎng)、接收機(jī)等儀器，實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量。

三、R&S 電平控制探頭的解決方案及應(yīng)用

R&S NRP-Z28(頻率范圍10MHz~18GHz)、NRP-Z98(頻率范圍9kHz~6GHz)系列電平控制探頭，包括了一個(gè)低反射系數(shù)的功分器，和一個(gè)多通道的二極管功率探頭，探頭結(jié)構(gòu)及其工作原理可參見(jiàn)圖3，

射頻輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)功分器，一路輸出到射頻輸出，另一路到內(nèi)置的功率探頭內(nèi)，實(shí)現(xiàn)精確的功率測(cè)量，然后測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口輸出。

R&S NRP-Z28/Z98系列探頭把功分器和功率探頭很好地結(jié)合在一起，減少了外部功分器的連接不便與不確定性因素。同時(shí)，由于NRP系列探頭的測(cè)量與數(shù)據(jù)處理一體化優(yōu)勢(shì)，可以直接將探頭USB輸出連接到SMU200A/SMJ/SMATE/SMA/SMB/SMF等R&S公司的數(shù)字、射頻、微波信號(hào)源上?？芍苯釉谛盘?hào)源界面上完成電平的精確測(cè)量和調(diào)整，確保到達(dá)被測(cè)單元的功率值的精確性。

圖3. R&S NRP-Z28/Z98 的結(jié)構(gòu)及其工作原理

在圖4中可以看到，而如果沒(méi)有NRP-Z28/Z98的修正，信號(hào)源輸出功率隨著頻率變化可能有零點(diǎn)幾dB的偏差(藍(lán)色曲線)，該偏差由于信號(hào)源頻率響應(yīng)或端口駐波的影響而產(chǎn)生，無(wú)法滿足精確測(cè)量的要求，而采用電平控制探頭可以精確的對(duì)信號(hào)源頻響和端口駐波的影響進(jìn)行補(bǔ)償，圖中上面的粉紅色曲線是經(jīng)過(guò)NRP-Z28/Z98修正后的電平輸出(粉紅色曲線)非常精確穩(wěn)定。

圖4. 帶電平修正和不帶電平修正的差別

NRP-Z28/Z98與信號(hào)源有兩種連接方式，在圖5中，左邊是帶功率計(jì)主機(jī)的方式，右邊是直接連接信號(hào)源的方式，第二種連接更為簡(jiǎn)單方便，可以直接在信號(hào)源的屏幕上進(jìn)行精確的電平調(diào)節(jié)，操作界面如圖6所示。

圖5. 兩種電平控制探頭的連接方法

圖6. 在信號(hào)源SMU界面直接進(jìn)行功率的測(cè)量與調(diào)節(jié)

四、保證測(cè)試準(zhǔn)確度

由于反射系數(shù)的影響，會(huì)引入測(cè)量的不確定度，NRP系列探頭可以把反射系數(shù)考慮進(jìn)去，對(duì)結(jié)果進(jìn)行伽馬(
)修正，NRP-Z28/Z98探頭與UUT之間的失配不確定度可以進(jìn)一步減小。反射系數(shù)
對(duì)測(cè)試結(jié)果有影響，有反射存在時(shí)，功率計(jì)測(cè)量的功率值與發(fā)射功率并不相等，此時(shí)存在反射功率P.

圖7. 反射系數(shù)
對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

描述復(fù)數(shù)阻抗輸入端反射波的幅度和相位。負(fù)載端的反射系數(shù)用
L描述，信號(hào)源端的反射系數(shù)用
G描述，則入射功率Pi與發(fā)射功率PGZ0之間的關(guān)系如下，

用描述反射系數(shù)的幅度，這樣入射功率與信號(hào)源發(fā)射功率之間滿足如下關(guān)系式，該關(guān)系式就代表了輸入功率的不確定度。

如果要對(duì)反射特性進(jìn)行修正，則必須知道源和負(fù)載的反射系數(shù)，探頭端的反射系數(shù)由探頭自身給出，信號(hào)源的反射系數(shù)可以用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量S11參數(shù)得到，伽馬修正的實(shí)現(xiàn)原理如圖8所示。

圖8. NRP功率計(jì)伽馬修正的實(shí)現(xiàn)

如果在NRP-Z28/Z98探頭與UUT之間還存在轉(zhuǎn)接頭、衰減器或其它連接電纜等二端口網(wǎng)絡(luò)，還可以用去嵌入方式實(shí)現(xiàn)S參數(shù)修正，其修正原理如圖9所示，該二端口網(wǎng)絡(luò)的4個(gè)S參數(shù)可以用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量得到一個(gè)S2P文件來(lái)描述，再通過(guò)USB接口把S2P文件下載到探頭中，完成測(cè)試結(jié)果的S參數(shù)修正。

圖9. NRP功率計(jì)S參數(shù)修正的實(shí)現(xiàn)

與普通的NRP終端式功率探頭類似，NRP-Z28/Z98系列電平控制探頭的S參數(shù)修正的實(shí)現(xiàn)如圖10所示。通過(guò)把二端口網(wǎng)絡(luò)的四個(gè)S參數(shù)存儲(chǔ)在S2P文件里，再通過(guò)USB接口下載到探頭內(nèi)即可自動(dòng)完成修正，可以實(shí)現(xiàn)更精確的功率調(diào)節(jié)與測(cè)量，減小了測(cè)量不確定度。

圖10. NRP-Z28/98探頭S參數(shù)修正的實(shí)現(xiàn)