引言对几乎所有的射频 (RF) 和微波设备而言, 系统输出功率是决定其设计和性能的关键因素 [1] 任何通信或雷达系统的整体性能均由发射和接收功率决定信号功率测量的重要性毋庸置疑, 它贯穿于系统生命周期的始终, 从初始设计和单独元件原型制作开始, 到系统制造及合格性测试, 以及系统现场安装, 直

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婉蒙
5 years ago
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1 是德科技现场精密功率测量技巧使用 FieldFox 手持式分析仪应用指南本应用指南将讨论平均功率和峰值功率的测量技术, 还将讨论现场测试时辅助设备的选择由于可用于功率测量的设备众多, 本文将重点讨论应用最广泛的两种射频 / 微波设备, 即功率传感器和频谱分析仪本指南中的测量示例包括对连续波脉冲信号数字调制波形信号的测量了解每种设备的精度和限制条件, 包括可能影响设备现场性能的因素十分重要本文将对不同的功率传感器和频谱分析仪进行比较

2 引言对几乎所有的射频 (RF) 和微波设备而言, 系统输出功率是决定其设计和性能的关键因素 [1] 任何通信或雷达系统的整体性能均由发射和接收功率决定信号功率测量的重要性毋庸置疑, 它贯穿于系统生命周期的始终, 从初始设计和单独元件原型制作开始, 到系统制造及合格性测试, 以及系统现场安装, 直至定期维护和现场检修, 每一步都要涉及到信号功率测量既然功率测量对系统性能和兼容性有着重大影响, 能在不同时间不同地点进行功率测量显得至关重要这需要设备性能出众 ( 精度 ), 在不同的环境和操作条件下 ( 可重复性 ) 都能提供稳定的测量结果所有测量结果, 无论其来自哪种设备, 都应可作为功率测量的绝对值 ( 可追溯性 ), 这一点也非常重要本应用指南将讨论平均功率和峰值功率的测量技术, 还将讨论现场测试时辅助设备的选择

3 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南功率测量设备配置多种设备均可对射频和微波进行功率测量, 包括功率传感器功率计信号分析仪频谱分析仪和网络分析仪等 [2] 本应用指南将讨论可进行现场测量的仪器,

功率传感器可与单独的功率计进行配置, 如图 1a 所示, 也可将带 USB 接口的功率传感器与笔记本电脑相连, 如图 1b 所示与功率计和笔记本电脑相连时可支持多个测量通通道, 一个功率计可支持最多 4 个传感器, 而如果电脑上安装有合适的功率分析软件,

那么采用频谱分析仪配置方案无疑十分方便最后一种方案如图 1d 所示, 即使用内置通通道功率计 (CPM) 的频谱分析仪直接测量信号功率, 这种方案无需使用外置功率传感器在这种配置中, 分析仪的调谐接收机可以测量平均功率, 使用一条短跨接电缆连接

3 3 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南功率测量设备配置多种设备均可对射频和微波进行功率测量, 包括功率传感器功率计信号分析仪频谱分析仪和网络分析仪等 [2] 本应用指南将讨论可进行现场测量的仪器, 即功率传感器和频谱分析仪功率传感器与测量和显示系统的连接有多种配置方式, 这些系统包括传统的功率计笔记本电脑和频谱分析仪等例如, 图 1 描绘了如何以不同的配置方式将功率传感器与频谱分析仪相连来精确测量现场平均功率和峰值功率功率传感器可与单独的功率计进行配置, 如图 1a 所示, 也可将带 USB 接口的功率传感器与笔记本电脑相连, 如图 1b 所示与功率计和笔记本电脑相连时可支持多个测量通通道, 一个功率计可支持最多 4 个传感器, 而如果电脑上安装有合适的功率分析软件, 其最多可支持 20 个传感器另一种方案如图 1c 所示, 即将带 USB 接口的功率传感器直接与频谱分析仪连接在这种配置中, 频谱分析仪可直接显示功率测量数据, 无需将功率计或笔记本电脑带到现场如果系统安装维护和 / 或检修时需要进行频谱测试, 那么采用频谱分析仪配置方案无疑十分方便最后一种方案如图 1d 所示, 即使用内置通通道功率计 (CPM) 的频谱分析仪直接测量信号功率, 这种方案无需使用外置功率传感器在这种配置中, 分析仪的调谐接收机可以测量平均功率, 使用一条短跨接电缆连接分析仪和系统测试点功率测量设备的选择需要对精度频率范围动态范围便携性耐用性和预热时间等因素进行综合考虑后决定本应用指南将讨论使用功率传感器和分析仪的 CPM 对现场的简单信号和复杂信号进行功率测量时的优势和权衡因素 A) 功率计和传感器 C) 功率传感器和分析仪图 1. 平均功率和峰值功率测量的设备配置 B) 功率传感器和笔记本电脑 D) 频谱分析仪

4 4 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南功率传感器和信号处理典型的功率传感器和功率计配置包括一个连接模拟和数字信号处理元件的传感器元件 ( 探测器 ) 图 2 是经过简化的功率传感器和功率计方框图热电偶或二极管等构成的传感器元件将输入的 RF/ 微波信号转换为直流电压或低频电压波形传感器的输出电压接近 100 毫微伏 (nv), 因此需要放大至高电平信号放大后的信号将进行滤波, 过滤掉高频噪声在某些配置中, 滤波器的带宽可以调节 : 带宽可以降低以提高测量灵敏度, 或者增加以改善测量速度然后模数转换器 (ADC) 将模拟信号转换为数字信号微处理器单元 (MPU) 将对采样波形再次进行滤波和时域平均操作 MPU 还与用户小键盘相连, 可以控制功率计的显示功能将功率传感器与单独的功率计相连时, 信号处理功能由功率计执行, 如图 2 所示 ( 红色方框 ) 使用 USB 连接的功率传感器时, 信号处理功能由功率传感器 ( 蓝色方框 ) 执行, 笔记本电脑或频谱分析仪完成显示功能需要注意的是图 2 是高度简化的方框图, 实际的信号处理流程还包括其他的信号转换放大和滤波过程峰值功率传感器还常包括额外的信号通路, 以便单独处理平均和峰值功率的测量更多细节可参阅 Keysight RF 和微波功率测量 ( 第 2 部分 ), 功率传感器及仪器应用指南 [3] 总之, 功率传感器的测量精度最高, 但需要注意归零和用户校准, 以消除频率响应温度漂移和传感器元件老化造成的误差是德科技生产的功率传感器和功率计通过 50 MHz 基准振荡器保证精度, 振荡器输出功率的精度保证在 ± 0.4% 之内使用功率计时, 需要将功率传感器定期直接与 50 MHz 基准连接器相连来进行校准 Keysight USB 功率传感器在其前端内置 50 MHz 基准振荡器, 振荡器可自动与传感器元件连接, 无需操作者手动连接传感器和基准振荡器功率传感器的种类繁多, 适用于不同的输入频率和功率, 但 RF/ 微波探测器大体上只有两类 : 热传感器和二极管传感器本应用指南将在下面两章讨论这两种功率传感器的基础技术和操作, 包括其相对灵敏度和动态范围输入传感器元件放大器滤波器模数转换器 MPU 显示器 (dbm 或 W) 50 MHz 参考功率计 USB 功率传感器图 2. 简化版功率传感器和功率计方框图

5 5 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南热功率传感器热传感器将射频 / 微波信号发出的热能转换为传感器的电气特性变化此类传感器包括热敏电阻和热电偶热传感器对信号的总功率做出响应, 提供信号的真实平均功率, 而不考虑信号的调制格式热敏电阻是第一种功率传感器输入的 RF 信号会导致热敏电阻温度升高, 同时导致其电阻值下降, 此时热敏电阻即可作为功率测量传感器电阻值变化及其带来的传感器偏差能够被桥接电路准确测量尽管热敏电阻已慢慢为其他类型的传感器取代, 但在实验室环境中, 它仍广泛用于计量学和能量传输标准应用在现场应用中, 其他类型的传感器效率更高, 因为热敏电阻的 RF 测量灵敏度较低, 测量本底噪声约为 -20 dbm, 测量速度也较慢所有的热敏电阻都需要与单独的功率计连接热敏电阻对环境温度比较敏感, 如果测量环境比较恶劣, 温度变化较大, 热敏电阻将难于使用热电偶也通过传感器的温度变化进行功率测量对此类传感器而言, 温度变化会造成电压改变, 可以直接用仪器测量相比热敏电阻, 热电偶更耐用, 对环境温度较不敏感, 是现场测量时比较好的选择热电偶的灵敏度可以稍稍改进, 达到约 -35 dbm, 但这需要使用基准振荡器来对温度漂移和传感器老化进行校准热电偶可由 USB 接口模块提供, 或者需要连接至单独的功率计如用于测量最高 +20 dbm 的高功率电平, 热传感器非常适合测量连续波和调制信号的平均功率热敏电阻和热电偶操作及性能的更多细节可参阅 Keysight RF 和微波功率测量 ( 第 2 部分 ), 功率传感器及仪器应用指南 [3]

6 6 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南二极管功率传感器热功率传感器可以测量连续波和调制信号的平均功率, 但其动态范围大多有限二极管传感器的动态范围大得多但具有非线性特征, 必须经过表征和补偿才能获得较准确的平均和峰值功率测量结果二极管传感器使用二极管和电容器对 RF/ 微波信号进行整流和滤波, 如图 3 所示多种频率的输入信号可通过 50 欧姆的电阻进入 50 欧姆传输线路, 输入传感器二极管对 RF 电压波形进行整流, 电容器提供低通滤波器初始电平然后功率计对输出波形进行放大滤波和采样二极管传感器主要在平方律区域工作, 在该区域内输出电压与输入电压的平方成正比, 因此直接与输入功率成正比在此区域内, 输入功率与输出电压线性相关, 如图 4 中的直线所示在平方律区域内, 即输入功率从约 -70 dbm 至 -20 dbm ( 平均 50 db) 的范围内, 任何调制波形的平均和峰值功率都能准确测量对大于 0 dbm 的高功率电平而言, 二极管特征不再是电压 - 功率关系, 而变为电压 - 电压线性关系平方律和线性区域之间存在一过渡区域, 输入功率范围在 -20 dbm 到 0 dbm 的信号处于该区域当二极管在 +20 dbm 以上的功率电平上工作时, 可能会造成永久损坏与热电偶传感器相似, 二极管传感器也需要使用基准振荡器进行校准, 保证可追溯性要获得最佳测量精度, 二极管传感器需要 30 分钟的预热时间, 在需要现场快速测量时, 这可能带来问题射频输入图 3. 二极管功率传感器对输入 RF 波形执行整流和滤波 Vout 传感器元件二极管 50 Ω C 平方律整流线性滤波二极管功率传感器对静电放电和机械冲击特别敏感因此在操作功率传感器时遵循静电放电 (ESD) 安全规范特别重要 + Vout _ 功率计放大滤波采样 P in (dbm) 90 db 图 4. 二极管传感器输出电压与输入功率关系图

7 7 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南二极管功率传感器使用二极管传感器测量连续波信号平均功率应用信号处理技术可对过渡和线性区域建模, 并可对连续波信号功率测量进行校正, 因此使传感器的测量范围可扩大至超过 90 db 二极管传感器含有一份 EEPROM 校正参数表, 可对不同输入功率温度和频率环境下的测量结果进行校正需要注意的是, 更高功率的过渡区和线性区的测量结果仅对连续波信号具有精确性, 此类传感器称为连续波专用传感器包括测试频率源在内, 连续波信号功率测量的应用有很多, 例如振荡器和合成器测试放大器及其增益压缩输出功率等 Keysight E4412/13A 等连续波专用传感器拥有此类产品中最低的灵敏度和最大的动态范围, 一般来说也是测量连续波信号功率最具性价比的选择使用二极管传感器测量调制信号平均功率对于 -20 dbm 到 +20 dbm 的大功率信号, 标准二极管传感器无法准确测量包括脉冲和数字调制波形在内的调制信号的平均功率在大功率条件下, 应用于二极管传感器过渡区和线性区的校正参数不能保证调制信号测量结果的精度在这种情况下, 额外的外部衰减手段将保证其工作处于平方律区域, 但也会降低传感器的灵敏度动态范围和精度还有一种方法可以在保证较高精度和可追溯性的条件下, 以宽动态范围测量调制信号, 即使用带有两个测量通道的传感器, 这样可以保证二极管在所有功率电平上都是在平方律区域下工作 Keysight E9300 E 系列等宽动态范围传感器带有两个独立的测量通道, 一个覆盖 -60 至 -10 dbm, 一个覆盖 -10 至 +20 dbm 高功率通道中在二极管传感器前面安装有内部衰减器通道不但可自动切换, 凭借革新性技术, 通道还能保证二极管操作始终处于平方律区域, 从而能够进行具有宽动态范围较高精度和可追溯性的平均功率测量使用二极管传感器测量调制信号峰值功率测量脉冲和调制信号的峰值功率需要两个级别的信号探测 [3] 第一级是 RF 调制信号, 该信号通过二极管传感器探测并转换为宽带视频信号视频信号代表了调制波形的时变包络宽带视频以高速率采样并接受进一步处理时会进行第二级探测获得包络的采样后, 通过调整二极管传感器在平方律过渡和线性区域获得的功率测量值可以对采样进行幅度校正校正参数储存于峰值功率传感器中, 例如 Keysight E 系列和 X 系列峰值和平均功率传感器, 以及 P 系列宽带功率传感器传感器还储存有用于频率响应和温度变化的校正参数使用二极管传感器测量调制信号的峰值功率时要特别注意 : 传感器 / 功率计的测量带宽必须大于接受测试的信号带宽, 否则会因仪器滤波器的响应时间问题而丢失最大幅度与峰值功率和测量仪器带宽有关的更多问题将在本应用指南的后续部分讨论

8 8 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南调谐接收机功率测量除了可以采用多种功率传感器测量连续波和调制信号外, 还有一种相对简单的技术可以测量平均功率, 即使用频谱分析仪频谱分析仪是一种调谐接收机, 相比于热传感器和二极管传感器, 它具有更好的灵敏性, 更大的动态范围, 而且无需预热频谱分析仪的测量精度无法与功率传感器相比, 但以 Keysight FieldFox 为代表的现代分析仪能在仪器可处理频率温度和动态范围内达到接近 ± 0.5 db 的典型精度图 5 是最新式通信接收机和频谱分析仪中调谐接收机的简化方框图与图 2 中的功率传感器 / 功率计结构相比, 可以发现调谐接收机有许多不同首先是幅度检波器, 即图 5 中的二极管, 在调谐接收机中它更靠右, 而功率传感器中的宽带检波器直接位于最前端其次, 调谐接收机前端有一个由混频器和本地振荡器组成的下变频模块此外, 调谐接收机中在幅度检波器前还有一个带通滤波器这是现代接收机的典型架构, 称为超外差式接收机外差作用是指将原始 RF 信号的中心频率降频以便滤波和探测超是指将频率转换到超音频范围, 换言之, 在音频范围之上 FieldFox 等频谱分析仪就是采用的这种结构, 通过本地振荡器扫描特定范围的频率, 然后根据频率的变化显示信号功率在有些应用中, 频谱分析仪与固定本地振荡器进行配置, 这种模式称为零扫宽与零扫宽模式有关的更多信息可参阅频谱分析仪用户手册传统的频谱分析仪在模拟域进行全部或大部分滤波现代分析仪在靠近分析仪输入端的地方安装有数模转换器 (ADC), 对下变频中频 (IF) 信号采样, 以便在数字域进行滤波和探测如图 5 所示, 数字滤波有两个阶段首先使用带通滤波器对经过数字转换的 IF 进行滤波在通信系统中, 这种滤波器的带宽通常是固定的, 称为通道滤波器频谱分析仪中这一滤波器的带宽是可调的, 称为分析仪分辨率带宽 (RBW) 经过 RBW 滤波后, 这种幅度的信号可以被分析仪探测到和低通滤波低通滤波阶段称为分析仪的视频带宽 (VBW) 在带有数字 IF 的分析仪中, 二极管探测器实际上是仪器固件处理中的一个算法, 在所有输入功率下模拟理想情况下的平方律探测器功率计和频谱分析仪的一大主要不同点是频率选择性频谱分析仪在特定的分辨率带宽 (RBW) 下测量功率功率传感器没有频率选择性, 它探测传感器全频段的功率, 包括谐波和其他任何进入传感器的信号缺少可调节 RBW 是传感器最低仅能测量 -70 dbm 信号的主要原因相比之下, 只要选择更窄的 RBW 滤波器, 频谱分析仪可以测量功率小得多的信号 FieldFox 等频谱分析仪的灵敏度可以达到 154 dbm/hz, 动态范围可超过 105 db FieldFox 的另一大优势是无需预热, 因为分析仪具有名为 InstAlign 的自动校正功能, 可在任何功率频率和温度环境下保证测量精度无论仪器设置和温度发生什么变化,InstAlign 可通过内部校正参考和专利技术的幅度一致性算法自动提高所有幅度测量的精度输入混频器 ~ 本地振荡器放大器校正参考模数转换器 Filter 数字域分辨率或通道逻辑放大器滤波器视频显示屏图 5. 带数字 IF 的调谐接收机简化方框图

第一种测量配置如图 6a 所示, 分析仪在其显示屏上直接显示功率传感器的测量结果第二种配置用于测量平均功率, 使用 N9938A FieldFox 的调谐接收机, 其内置有通道功率计 (CPM) 选件 310 如图 6b 所示,

9 9 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南 CW 和调制信号测量示例本应用指南的下几个章节将对使用功率传感器和调谐接收机 ( 频谱分析仪 ) 测量平均功率进行对比示例包括 CW 多音频 32QAM 数字调制和脉冲信号在这些示例中将使用 Keysight MXG 矢量信号发生器, 经配置信号频率为 6 GHz, 输出功率为 20 dbm 测量使用的功率传感器为 Keysight U2000A USB 功率传感器, 连接至带选件 302 的 Keysight N9938A FieldFox 频谱分析仪第一种测量配置如图 6a 所示, 分析仪在其显示屏上直接显示功率传感器的测量结果第二种配置用于测量平均功率, 使用 N9938A FieldFox 的调谐接收机, 其内置有通道功率计 (CPM) 选件 310 如图 6b 所示, 需要使用一条短的同轴跨接电缆将分析仪测试端口与信号发生器输出接口相连本例中跨接电缆的插入损耗通过 FieldFox 的电缆损耗功能补偿矢量信号发生器矢量信号发生器功率传感器 USB 电缆 RF 跨接电缆频谱分析仪频谱分析仪图 6. 使用 (a)usb 功率传感器和 (b) 带内置通道功率计的调谐接收机测量平均功率对比配置

10 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南连续波和调制信号测量示例连续波测量示例连续波 (CW) 信号不携带任何信息, 是最容易测量的信号, 因其平均功率和峰值功率相等, 信号无带宽本例中测量仪器可使用窄带滤波器来改善灵敏度 ( 本底噪声 ) 图 7a 描绘了频谱分析仪的典型测量过程, 显示了测试信号的扫频频谱响应本例中可以看到,500 khz

10 10 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南连续波和调制信号测量示例连续波测量示例连续波 (CW) 信号不携带任何信息, 是最容易测量的信号, 因其平均功率和峰值功率相等, 信号无带宽本例中测量仪器可使用窄带滤波器来改善灵敏度 ( 本底噪声 ) 图 7a 描绘了频谱分析仪的典型测量过程, 显示了测试信号的扫频频谱响应本例中可以看到,500 khz 的测量扫宽中有一个单音信号通过标记搜索功能, 信号峰值被标记标记显示信号峰值为 dbm 如上所述, 连续波信号的峰值功率与平均功率相同, 因此 dbm 也是该连续波信号的平均功率图 7b 是使用 USB 功率传感器测量平均功率这里功率测量值为 dbm 图 7c 是使用 FieldFox 的通道功率计测量平均功率这里功率测量值为 dbm 在实验室环境下, 三次测量的误差在 0.1 db 之内预计功率传感器拥有更高的精度, 或更小的测量不确定度, 但需要进行完整的不确定度分析才能确定误差范围是德科技的应用指南 [4] 说明了使用功率传感器和频谱分析仪时如何计算测量不确定度是德科技还可提供一套测量不确定度计算器, 这些电子表格可以计算许多是德科技功率传感器的不确定度范围 [5, 6] 使用 U2000A 功率传感器不确定度计算器后得出 20 dbm 测量值的误差范围为 / db 对于此次测试条件下的 FieldFox CPM, 数据表显示的典型误差为 ± 0.50 db, 规范误差为 ± 1.0 db 与测量准确度有关的更多问题将在本应用指南的后续部分讨论注意使用 FieldFox 内置 CPM 测量时需要选择测量扫宽该值等于接受测试的信号通道带宽如图 7c 所示, 扫宽设定为 100 khz 本例中, 扫宽可随意设定, 因为连续波信号没有带宽注意较小的扫宽会增加测量时间, 较大的扫宽会增加噪声和不确定度 (a) (b) (c) 图 7. 使用 (a) 频谱分析仪和游标 (b) 功率传感器和 (c) 内置通道功率计的频谱分析仪测量连续波信号

11 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南连续波和调制信号测量示例多音信号测量示例本例中信号发生器的功率分布于五个音频信号中音频信号的频率间距为 500 khz 图 8a 是频谱分析仪对这个多音信号的频率响应显示屏图理想情况下, 如果所有音频信号的总功率是 20 dbm(10 微瓦 ), 则每个音频信号的功率为 26.

5 MHz( 音频信号频率间隔 500 khz 乘以五 ) 本例中实际测量扫宽设定为 3 MHz 如果将扫宽隆低至 200 khz 并重复测量, 此时 CPM 将仅能显示中心频率为 6 GHz 的单音信号 CPM 显示单音信号的功率为 27.1 dbm, 非常接近 26.

11 11 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南连续波和调制信号测量示例多音信号测量示例本例中信号发生器的功率分布于五个音频信号中音频信号的频率间距为 500 khz 图 8a 是频谱分析仪对这个多音信号的频率响应显示屏图理想情况下, 如果所有音频信号的总功率是 20 dbm(10 微瓦 ), 则每个音频信号的功率为 dbm(2 微瓦 ) 平均功率传感器会测量全部五个音频信号的平均功率本例中功率传感器测量的平均功率为 dbm 内置通道功率计 (CPM) 测量的总功率为 20.2 dbm 使用 CPM 测量时, 测量扫宽必须设定为可以覆盖全部五个音频信号本例中,CPM 的最小扫宽应为 2.5 MHz( 音频信号频率间隔 500 khz 乘以五 ) 本例中实际测量扫宽设定为 3 MHz 如果将扫宽隆低至 200 khz 并重复测量, 此时 CPM 将仅能显示中心频率为 6 GHz 的单音信号 CPM 显示单音信号的功率为 27.1 dbm, 非常接近 dbm 的理论值只有基于功率测量系统的频谱分析仪才有可能测量单音信号或在特定测量扫宽下测量功率传感器具有宽带前端, 但除非在传感器和测试设备之间安装外部滤波器, 否则不能选择频率需要说明的是这个复杂信号的峰值功率不等于其平均功率峰值功率与多个音频信号之间的相位关系有关, 随时间增加这些信号会有所增减峰值功率测量常需要具备峰值功率测量功能的传感器和带宽足以同时处理所有单音信号的视频滤波器本次测量中, 用于峰值功率测量的视频带宽至少应为 2.5 MHz 峰值功率测量将在本应用指南的后续部分讨论 (a) (b) (c) 图 8. 使用 (a) 频谱分析仪 (b) 功率传感器和 (c) 内置通道功率计的频谱分析仪测量多音信号

12 12 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南连续波和调制信号测量示例数字调制测量示例这是测量无线通信系统中常见的数字调制信号的示例该信号采用 32 正交调幅 (QAM), 符号率为 5 Msymbols 每秒 (Msps) 使用阿尔法系数为 0.5 的 Root Nyquist 滤波器对发射信号滤波, 使其包含频谱根据以上参数, 频谱分析仪显示该信号带宽约为 8 MHz, 如图 9a 所示如图 9b 和 9c, 功率传感器测定平均功率为 dbm, 扫宽设定为 8 MHz 的内置 CPM 测定为 dbm 在某些应用中信号带宽可能未知本例中, 使用功率传感器可以得到正确的平均功率值, 只要功率和操作频率处于传感器的工作范围之内使用 FieldFox 内置 CPM 测量时, 需要正确设定测量扫宽才能得到准确的测量结果本例中, 使用标准频谱分析仪测量对于确定位置信号的带宽非常有用只要带宽确定, 分析仪就能切换到 CPM, 设定正确的扫宽 (a) (b) (c) 图 9. 使用 (a) 频谱分析仪 (b) 功率传感器和 (c) 内置通道功率计的调谐接收机测量 32QAM 信号

13 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南连续波和调制信号测量示例脉冲波形测量示例讨论峰值功率测量和脉冲波形之前, 有必要复习脉冲波形的基本概念图 10 列出了一个简单的脉冲波形, 其脉冲宽度很窄, 脉冲周期很短这两个参数在雷达应用中尤为重要, 因为脉冲宽度决定了雷达系统的分辨率, 而周期也叫脉冲重复间隔 (PRI), 决定了最大不模糊时间长度

13 13 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南连续波和调制信号测量示例脉冲波形测量示例讨论峰值功率测量和脉冲波形之前, 有必要复习脉冲波形的基本概念图 10 列出了一个简单的脉冲波形, 其脉冲宽度很窄, 脉冲周期很短这两个参数在雷达应用中尤为重要, 因为脉冲宽度决定了雷达系统的分辨率, 而周期也叫脉冲重复间隔 (PRI), 决定了最大不模糊时间长度脉冲宽度和 PRI 的比率称为占空比因数 (DF) 脉冲宽度占空比因数 (DF)= 脉冲重复间隔占空比因数一般以百分数表示, 是脉冲在一个脉冲周期中处于开状态的时间与周期的比值例如,DF 为 10% 的意思是脉冲发射时间占总时间的百分之十对于周期性脉冲波形, 其峰值功率与平均功率直接存在直接关系平均功率除以 DF 即为峰值功率对于定义完整的脉冲波形, 其峰值功率可由平均功率测量值获得平均功率峰值功率 = DF 图 11 是了一个脉冲宽度 20 微秒, 占空比因数 20% 的脉冲波形的频谱和平均功率测量示例如图 11a, 频谱分析仪显示该信号的频率为典型的正弦函数频域的边带继续延伸到可以显示的 1 MHz 频率跨度以外如图 11b, 功率传感器的平均功率测量值为 dbm CPM 的平均功率测量值为 26.8 dbm, 如图 11c 为了捕获波形的大部分边带能量,CPM 测量的扫宽设定为 3 MHz 对这个波形来说, 将扫宽增加到超过 3 MHz 对功率测量没有影响可通过将这个 20% DF 脉冲波形的平均电平增加 6.99 db (10LOG(1/DF)) 来计算其峰值功率使用 27 dbm 的平均功率测定值计算出的峰值功率为 -20 dbm, 与矢量信号发生器的幅度设定一致峰值平均功率图 10. 波形脉冲参数定义脉冲宽度脉冲重复间隔 (PRI) 时间 (a) (b) (c) 图 11. 使用 (a) 频谱分析仪 (b) 功率传感器和 (c) 内置通道功率计 (CPM) 的频谱分析仪测量 20% 占空比因数的脉冲波形

14 14 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南连续波和调制信号测量示例峰值功率测量的探测和滤波用于测量峰值功率的功率传感器和功率计的方框图与平均功率传感器类似与平均功率传感器相比, 峰值功率传感器 / 功率计拥有更宽的视频带宽和更高的 ADC 采样率, 以适应脉冲和复杂调制波形的高速过渡图 12 是经过简化的峰值功率传感器方框图在实践中, 典型的峰值功率传感器拥有两条独立的测量通道, 一条针对平均功率测量优化, 一条针对峰值功率测量优化 [3] 审视峰值功能的测量通道, 可以认为传感器有两层探测方案第一层探测发生在前端, 此时二极管对输入的波形进行整流由于二极管探测器常为宽带设备, 脉冲波形快速改变的包络会保留在经过整流的波形中探测后信号将被放大和滤波一般来说, 视频滤波器拥有可选带宽, 有些传感器的带宽可达 30 MHz, 例如 Keysight P 系列和 X 系列传感器视频 BW 要比信号 BW 大, 否则视频滤波器将会使波形包络平滑或平均化, 这一点十分重要探测器的第二层发生于视频滤波后, 此时 ADC 继续以很高的速率对视频采样, 某些峰值功率计可达 1 Gsps, 例如 Keysight 8990 峰值功率分析仪在第二层探测中,ADC 将对脉冲信号包络高速采样, 以便准确复制波形通过以合适的速率对脉冲波形采样, 就可以直接测量峰值功率脉冲宽度 PRI 上升时间和下降时间等特性平均功率传感器可与多种设备连接, 峰值功率传感器也一样, 它可以在现场与功率计频谱分析仪和笔记本电脑连接以获取测量值本应用指南的下一部分将介绍将峰值功率传感器与便携式频谱分析仪连接测量脉冲波形的时域波形示例输入放大器滤波器模数转换器 MPU 显示器 (dbm 或 W) 二极管探测器视频滤波器高采样率图 12. 简化版峰值功率传感器和功率计方框图

15 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南连续波和调制信号测量示例使用峰值功率传感器测量示例图 13 是脉冲波形功率包络测定值与时间的函数图输入波形为脉冲调制 40 GHz 信号, 脉冲宽度 1 微秒, 占空比因数 10% 该脉冲调制波形使用 Keysight N9344C 手持式频谱分析仪 (HSA) 捕获, 分析仪与 U2020 X 系列

15 15 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南连续波和调制信号测量示例使用峰值功率传感器测量示例图 13 是脉冲波形功率包络测定值与时间的函数图输入波形为脉冲调制 40 GHz 信号, 脉冲宽度 1 微秒, 占空比因数 10% 该脉冲调制波形使用 Keysight N9344C 手持式频谱分析仪 (HSA) 捕获, 分析仪与 U2020 X 系列 USB 峰值和平均功率传感器连接在这种配置中, 仅功率传感器需要设定为 40 GHz, 因为频谱分析仪仅作为显示和控制接口, 与使用峰值功率计的配置类似搭配此类峰值功率传感器, 分析仪或峰值功率计就能显示峰值功率平均功率和包括上升时间下降时间在内的其他特性标记可放置于仪器显示屏上, 以标出被捕获波形的特定时间和功率要获得波形的上升和下降时间等特性, 仪器的视频带宽应大于波形带宽是德科技峰值功率计的视频带宽可达 30 MHz, 可测量最低 13 纳秒的上升和下降时间图 13. 使用连接至频谱分析仪的峰值功率传感器测量脉冲波形

16 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南连续波和调制信号测量示例峰值和平均功率以外的测量平均和峰值功率测量也许不能完整描述调制 RF 和微波波形的全部特性无线通信和广播等行业有其特有的测量需求, 包括测量特定参数, 例如邻道功率比 (ACPR) 平均峰值功率比 (PARP) 互调失真 ( IMD) 占用带宽 (OBW) 累积分布函数(CDF)

7 GHz 在此频段中的 CARS 通道间距规定为 10 MHz 图中箭头描绘了主通道的频带, 三个邻近通道位于主通道上下方预计主要传输通道不会向附近通道溢出大量功率, 否则会导致邻道干扰不正确的滤波开关瞬态和互调失真会产生功率溢出到邻近频谱在无线发射机的功率放大器中, 由于功率电子元件的非线性效应, 往往会产生互调失真或频谱再生为了准确测量邻道功率,FieldFox

16 16 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南连续波和调制信号测量示例峰值和平均功率以外的测量平均和峰值功率测量也许不能完整描述调制 RF 和微波波形的全部特性无线通信和广播等行业有其特有的测量需求, 包括测量特定参数, 例如邻道功率比 (ACPR) 平均峰值功率比 (PARP) 互调失真 ( IMD) 占用带宽 (OBW) 累积分布函数(CDF) 和定时开启门电路等许多此类测量需要功率传感器与软件分析工具联合应用, 例如 Keysight N1918A 功率分析仪频谱分析仪可直接测量包括邻道功率比在内的许多此类参数例如, 图 14a 描绘了使用频谱分析仪测量向类似于有线电视转播服务 (CARS) 发射的 GHz 调制信号,CARS 的注册频段为 17.7 至 19.7 GHz 在此频段中的 CARS 通道间距规定为 10 MHz 图中箭头描绘了主通道的频带, 三个邻近通道位于主通道上下方预计主要传输通道不会向附近通道溢出大量功率, 否则会导致邻道干扰不正确的滤波开关瞬态和互调失真会产生功率溢出到邻近频谱在无线发射机的功率放大器中, 由于功率电子元件的非线性效应, 往往会产生互调失真或频谱再生为了准确测量邻道功率,FieldFox 频谱分析仪具有邻道功率 (ACP) 测量功能, 可以测量每个邻道的相对功率图 14b 显示了对这个 GHz CARS 波形的 ACP 测量结果, 垂直圆柱代表每个通道的功率此次测量中, 以 10 MHz 带宽测量的主通道功率为 19.7 dbm 邻近的上下通道相对功率分别为 dbc 和 dbc 柱形图下方的表格列出了三个最近邻道的功率绝对值和相对值 FieldFox 分析仪还具有占用带宽测量功能, 可在通道测量菜单中进入 FieldFox 可对直播信号和记录信号进行通道功率测量更多信息请参阅 FieldFox 用户手册 [7] (a) (b) 图 GHz 有线电视转播服务信号测量 (a) 频谱图和 (b) 邻道功率 (ACP)

17 17 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南连续波和调制信号测量示例功率测量精度我们已经讨论了多种功率传感器和分析仪配置, 现在有一个重要问题出现了 : 哪种功率测量技术的精度最高? 对比不同的功率传感器, 它们的精度取决于传感器技术和测量的功率级别图 15 对比了三种不同类型的功率传感器 : 热电偶 CW 专用传感器和宽动态范围 (DR) 传感器的测量误差受测信号为脉冲调制波形, 脉冲宽度 50 微秒, 占空比因数 5% 图中可见, 各种传感器的输入功率测量误差在 -70 dbm 至 +8 dbm 之间误差最小的功率传感器是热电偶传感器, 但只有在输入功率大于 30 dbm 时才能获得更低功率时, 热电偶的灵敏性会降低, 误差迅速提高输入功率小于 -20 dbm 时二极管连续波专用功率传感器的误差极小在这种情况下, CW 专用传感器在测量调制信号时表现出很高的精度, 但只有在二极管平方律区域内工作时才会如此宽动态范围二极管功率传感器有两条优化过的独立通道, 可保证传感器在希望的平方律区域工作如图 15, 宽动态范围传感器在 -60 dbm 到 +8 dbm 范围内使具有较好的精度此类传感器的误差曲线在 -10 dbm 左右有小幅波动这一波动是由传感器在低功率和高功率测量路径间自动切换造成的注意 : 为减少低功率时的噪声影响, 所有的功率传感器测量使用的平均系数为 64 较大的平均系数也造成了总测量时间延长功率传感器也需要 30 分钟预热时间使用 FieldFox 的通道功率计 (CPM) 方案测量平均功率时, 整个动态范围的典型精度保证在 ± 0.35 db 之内, 如图 15 所示频率在 100 khz 到 18 GHz 之间时误差范围一样尽管 CPM 的精度不如功率传感器, 但它能提供最大的测量范围, 且无需向现场运送多个功率传感器更为重要的是, CPM 一开机就能得到误差在上述范围内的测量值, 无需像功率传感器那样预热 30 分钟 10 热电耦 CW 传感器误差 (db) 5 CPM 带 InstAlign ± 0.35 db 典型值大 DR 二极管 -15 输入功率 (dbm) 图 15. 使用功率传感器和 FieldFox 通道功率计 (CPM) 的功率测量值误差范围

18 18 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南 FieldFox InstAlign 如上所述, 内置通道功率计 (CPM) 的 FieldFox 频谱分析仪可在仪器全频段上以较高的精度进行通道功率测量 FieldFox 分析仪还能在 10 到 +55 范围内无需预热进行标称测量精度 FieldFox 之所以能获得如此高的精度完全得益于 InstAlign 这一独特功能 InstAlign 通过内部校正参考和获得专利技术的一致性算法自动提高所有幅度测量的精度, 无论仪器设置和温度发生什么变化例如, 如果 FieldFox 的内部探测器发现仪器温度改变了约 2 C, 就会在后台处理时自动进行幅度一致调整由此带来的最终结果是功率测量的绝对值幅度精度在最高 18 GHz 时小于 ± 0.35 db, 最高 26.5 GHz 时小于 ± 0.5 db 表 1 列出了配备 CPM 的 FieldFox 的设计性能和典型值技术指标包括保护频段, 将可预见的统计性能分布测量结果的不确定度以及受环境条件影响发生的性能变化都考虑在内只要仪器处于校准周期内, 这些性能指标就能得到保障如上所述, 获得表中性能无需预热列出的典型值为平均单位的预期性能指标, 不包括保护频带虽然 CPM 的准确度不如功率传感器, 但应考虑到使用 CPM 意味着无需向现场运输多个功率传感器和可能需要的独立功率计, 无需浪费 30 分钟的预热时间此外, 在测量低输入功率信号时, 功率传感器需要较长的测量时间来对噪声数据平均化, 才能获得较好的精度相比之下, 使用带 CPM 的 FieldFox 所需的总测量时间大幅减少, 这得益于分析仪调谐接收机架构的高灵敏性表 1. 使用具有 InstAlign 功能的 FieldFox 测量平均功率的幅度精度频率范围技术指标 (23 ± 5 ) 技术指标 (-10 至 ± 55 ) 典型值 (23 ± 5 ) 典型值 (-10 至 ± 55 ) 100 khz 至 18 GHz ± 0.8 db ± 1.0 db ± 0.35 db ± 0.5 db >18 GHz 至 26.5 GHz ± 1.0 db ± 1.2 db ± 0.5 db ± 0.6 db

19 19 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南各频段上的测量结果对比这是使用功率传感器和内置 CPM 的 FieldFox 测量平均功率的又一个对比测试信号由 Keysight PSG 微波信号发生器提供, 发生器作为连续波信号源配置, 输出频率范围为 100 MHz 至 26.5 GHz 功率传感器为 E4413A E 系列连续波传感器, 与 N1914A 功率计连接表 2 列出了两组测试结果 100 MHz 时功率传感器测量值为 0.07 dbm FieldFox CPM 测量值为 0.10 dbm 考虑到功率计拥有较高精度, 使用 FieldFox 时仅有 0.03 db 的差别 18 GHz 时功率计的测量值为 2.90 dbm, CPM 的测量值为 2.84 dbm, 两种仪器的差别为 0.06 db 功率测量值的降低源于连接信号发生器和仪器的测试电缆中损耗的上升测试期间仅有信号发生器的输出频率和仪器的测试本例是在实验室中的理想测试条件下进行的, 使用一个仪器测量功率和频谱所带来的便利无法得以体现频率发生了改变 26.5 GHz 时功率计的测量值为 dbm, 内置 CPM 的测量值为 dbm, 两种仪器的差别微乎其微表 2 使用功率传感器和内置 CPM 的 FieldFox 测量平均功率的又一个对比频率 (GHz) 传感器 (dbm) CPM (dbm) 符合 MIL-PRF-28800F 2 级标准的 FieldFox 现场测量时仪器常会暴露于酷热严寒和潮湿等恶劣环境一般而言, 功率传感器和功率计都是为实验室应用设计的, 对 ESD 恶劣条件和非正常操作十分敏感因此建议将功率传感器存放于清洁干燥的环境中是德科技深知 FieldFox 将在极端条件下使用, 因此仪器设计保证其成为市场上非常耐用可靠性能优异的手持式设备 [8] FieldFox 完全符合 MIL-PRF-28800F 2 级标准 FieldFox 还有符合 MIL-STD- 810G 的版本, 适用于暴露环境, 这对于航行测试或钻井平台等环境尤为重要防水机箱键盘和机壳可在盐分多的环境和潮湿环境中使用, 温度范围是 -10 ~ +55 (14 ~ 131 F) 垫圈密封门保护仪器不受潮, 防尘设计使机身没有散热孔和风扇 FieldFox 已成功通过 IP53 防水防尘标准测试外壳可承受冲击和震动, 特别设计的连接器凹窝能保护 RF 接口不会因为跌落或其他外部冲击而损坏

20 20 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南结论本应用指南介绍了用于平均和峰值功率测试的技术和仪器包括热敏电阻热电偶和二极管传感器在内的功率传感器可以提供最精确的测量结果, 但其动态范围有限, 测量时间较长, 需要预热使用内置 CPM 的 FieldFox 分析仪等调谐接收机进行功率测量, 可以获得更大的动态范围, 但会稍稍牺牲测量精度 FieldFox 凭借其创新性的 InstAlign 特性, 可以获得 18 GHz 以下 ± 0.35 db,26.5 GHz 以下 ± 0.5 db 的测量精度在 10 到 +55 C 范围内都可获得这种精度, 且无需预热时间 FieldFox 的耐用性也远胜一般的功率传感器, 这使得 FieldFox 分析仪特别适合恶劣环境和测试条件参考资料 [1] 是德科技应用指南, 射频和微波功率测量基础 ( 第 1 部分 ), 功率历史定义国际标准和可追溯性简介, CHCN,2003 年 4 月 [2] 是德科技应用指南, 射频和微波功率测量基础 ( 第 4 部分 ),Keysight RF/ 微波功率测量概述, CHCN,2008 年 9 月 [3] 是德科技应用指南, 射频和微波功率测量基础 ( 第 2 部分 ), 功率传感器和仪表, CHCN,2006 年 7 月 [4] 是德科技应用指南, 测量不确定度最小化, 快速方便评估不匹配造成的不确定度解决方案, CHCN, 2012 年 6 月 [5] 是德科技功率传感器不确定度电子表格 [6] 是德科技功率传感器 U 2000A 不确定度电子表格 [7] 是德科技 FieldFox 分析仪 N9913A N9914A N9915A N9916A N9917A N9918A N9925A N9926A N9927A N9928A N9935A N9936A N9937A N9938A 用户手册, 零件编号 N ,2014 年 5 月 [8] 是德科技白皮书, FieldFox 微波分析仪 4/6/6.5/9/14/18/26.5 GHz, CHCN,2012 年 11 月随时随地进行精确测量现场套件中的每一件工具都必须证明其不可替代凭借出色的功能赢得现场工作人员的信赖是 Keysight FieldFox 分析仪一贯的设计理念它们适用于常规维护深入故障诊断等更重要的是, 无论用户需要到什么地方工作,FieldFox 都能执行出色的微波测量, 体现是德科技仪器的卓越品质将 FieldFox 加入工具箱中, 您可以随时随地进行精确测量相关文献编号 FieldFox 综合分析仪, 技术概述 CHCN FieldFox 微波频谱分析仪, 技术概述 CHCN FieldFox 微波矢量网络分析仪, 技术概述 CHCN FieldFox 手持式分析仪, 技术资料 CHCN FieldFox 手持式分析仪, 配置指南 CHCN FieldFox N9912A 射频分析仪, 技术概述 CHCN FieldFox N9912A 射频分析仪, 技术资料 N FieldFox N9923A 射频矢量网络分析仪, 技术概述 CHCN FieldFox N9923A 射频矢量网络分析仪, 技术资料 CHCN 如欲下载其它应用指南观看视频以及了解更多信息, 请访问 :

21 21 是德科技使用 FieldFox 手持式分析仪现场精密功率测量技巧应用指南 mykeysight 个性化视图为您提供最适合自己的信息! 3 年保修是德科技卓越的产品可靠性和广泛的 3 年保修服务完美结合, 从另一途径帮助您实现业务目标 : 增强测量信心降低拥有成本增强操作方便性是德科技保证方案 5 年的周密保护以及持续的巨大预算投入, 可确保您的仪器符合规范要求, 精确的测量让您可以继续高枕无忧是德科技公司 DEKRA 认证 ISO 9001:2008 质量管理体系 Keysight Infoline 是德科技的洞察力帮助您实现最卓越的信息管理免费访问您的是德科技设备公司报告和电子图书馆是德科技渠道合作伙伴黄金搭档 : 是德科技的专业测量技术和丰富产品与渠道合作伙伴的便捷供货渠道完美结合如欲获得是德科技的产品应用和服务信息, 请与是德科技联系如欲获得完整的产品列表, 请访问 : 是德科技客户服务热线热线电话 : 热线传真 : 电子邮件 : tm_asia@keysight.com 是德科技 ( 中国 ) 有限公司北京市朝阳区望京北路 3 号是德科技大厦电话 : 传真 : 邮编 : 是德科技 ( 成都 ) 有限公司成都市高新区南部园区天府四街 116 号电话 : 传真 : 邮编 : 是德科技香港有限公司香港北角电器道 169 号康宏汇 25 楼电话 : 传真 : 上海分公司上海市虹口区四川北路 1350 号利通广场 19 楼电话 : 传真 : 邮编 : 深圳分公司深圳市福田区福华一路 6 号免税商务大厦裙楼东 3 层 3B-8 单元电话 : 传真 : 邮编 : 广州分公司广州市天河区黄埔大道西 76 号富力盈隆广场 1307 室电话 : 传真 : 邮编 : 西安办事处西安市碑林区南关正街 88 号长安国际大厦 D 座 501 电话 : 传真 : 邮编 : 南京办事处南京市鼓楼区汉中路 2 号金陵饭店亚太商务楼 8 层电话 : 传真 : 邮编 : 苏州办事处苏州市工业园区苏华路一号世纪金融大厦 1611 室电话 : 传真 : 邮编 : 武汉办事处武汉市武昌区中南路 99 号武汉保利广场 18 楼 A 座电话 : 传真 : 邮编 : 上海 MSD 办事处上海市虹口区欧阳路 196 号 26 号楼一楼 J+H 单元电话 : 传真 : 邮编 : 本文中的产品指标和说明可不经通知而更改 Keysight Technologies, Published in USA, May 22, 2015 出版号 : CHCN

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CHCN_8-14_K.indd 是德科技三个理由让您选择深存储快响应示波器应用指南介绍 1. 更长的波形捕获时间 = / 1 1 Mpts 10 GSa/s 1 2 100 Mpts 10 1. = / 1 Mpts 10 GSa/s 1 ms 2. = / 100 Mpts 10 GSa/s 10 ms 3 12.5 Mpts 3 300 Kpts 3 3. 3 12.5 Mpts 3 300 Kpts? Agilent