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  • 功率計和頻譜儀測量功率的差異

    2021-08-25 來源:微波射頻網 作者:J 字號:

    在射頻、微波無線系統中準確的測量功率是最基本的要求,進行功率測量有多種測量設備和測試方法可以選擇,如功率計測量、頻譜測量等。在實際測試工作中,應確保每種方法的優點和局限性不會影響測試數據的準確性。

    本文將探討不同測試方法之間的差異,一是使用功率計,二是使用頻譜儀;從連續波(CW)、multi-tone、調制信號(32QAM)和脈沖信號測量來比較。

    信號源是用一款比較常見的MXG N5182B,用他出功率為-20dBm @6GHz的信號。平均功率計用的是U2000A USB功率計,峰值功率計用的是Keysight 8990,頻譜儀使用的是N9938A手持頻譜儀。

    測量CW信號

    CW信號不攜帶任何信息,因此平均功率和峰值功率相同,信號沒有帶寬。所以測量設備可以使用窄帶濾波器來提高設備的底噪。

    Figure1: (a)頻譜儀(b)功率計(c)頻譜儀的channel power測量選件

    圖1a是頻譜儀的掃頻,span=500kHz,fc=6G。信號的峰值功率(也是平均功率)為-20.08dBm。圖1b是USB功率計測得的平均功率為-20.00dBm。圖7c頻譜儀的channel power測量選件測得的平均功率為-20.09dBm。頻譜儀的channel power測量選件必須為其設置Occupied bandwidth,即設置被測信號的信道帶寬。在圖1c測量中,Occupied bandwidth設置為100kHz。但是連續波信號沒有帶寬,Occupied bandwidth可以設置為任何值。三個值相差在0.1dB以內,其中功率計具有最高的準確度或最低的測量不確定度。

    測量多音信號

    用信號源出一個5 tone,spacing=500kHz的多音信號,再分別連接到以上三種測試環境中,得到的結果如下。

    Figure2: (a)頻譜儀(b)功率計(c)頻譜儀的channel power測量選件

    如果多音信號的總功率為-20dBm(10μW),則每個音的功率是-26.98dBm(2μW)。功率計將測量所有五個音的總功率,如圖2b測到的是-20.13dBm。圖2c中如果Occupied bandwidth設置很寬,包含所有五個音(在這種情況下,Occupied bandwidth至少要達到2.5MHz),測量值為20.2dBm。如果Occupied bandwidth小于spacing將只測到一個音的功率,測量值為-27.1dBm,接近單音的理論值-26.98dBm。圖2a中,頻譜可單獨測量每個tone的功率,理論上5個tone的功率應該相等,測量值為-27dBm(圖1a應為-27dBm)。

    如果在實際測試工作中需要只測量其中部分tone的功率,由于功率計沒有頻率選擇性,因此只能使用頻譜儀進行單音或特定Occupied bandwidth的測量,比如只需要測量基波功率的場景,或測試IM交調產物的測試場景。

    測量一個數字調制信號(32QAM

    用N5182B出一個32QAM調制,symbol rate=5M/s的信號。功率計得到的平均功率為-20.00dBm(圖3b),頻譜儀的channel power測量選件得到的平均功率為-20.07dBm(圖3c)。

    Figure3: (a)頻譜儀(b)功率計(c)頻譜儀的channel power測量選件

    只要信號的功率電平和頻率范圍在功率計得傳感器的能力范圍內,功率計就能夠得到帶寬未知的信號的總功率。頻譜儀的channel power測量選件的occupied bandwidth必須設置足夠寬才能準確測量,因此可以使用頻譜儀來測到未知信號的帶寬,然后再將Occupied bandwidth設置到channel power測量選件來測試總功率。

    測量一個脈沖信號

    脈沖信號的脈沖寬度(脈沖持續多長時間)與脈沖之間的時間(其周期)之比稱為占空比(DF,占空因子)。在給定重復脈沖的情況下,此類波形的峰值功率是平均功率除以DF。

    圖4是脈沖信號的頻譜測量和平均功率計測量示例,脈沖寬度為20μs,DF為20%。

    Figure4: (a)頻譜儀(b)功率計(c)頻譜儀的channel power測量選件

    圖4a中的頻譜儀顯示了頻率函數的典型“sin(x)/x”響應,頻域邊帶是1MHz。功率計得到的是平均功率-27.01dBm。頻譜儀的channel power測量選件得到的是平均功率為–26.8dBm(圖4c)。

    對于頻譜儀channel power測量選件,Occupied bandwidth必須設置為3MHz及以上來抓大部分脈沖波形的邊帶。將Occupied bandwidth增加到3MHz以上不會改變測試結果??梢酝ㄟ^將power offset加7dB(10log(1/DF))來計算20%DF的此波形的峰值功率。

    峰值功率是如何測量的

    平均功率計的框圖(見圖5),峰值功率計與平均功率計的主要差別是峰值功率計的ADC具有更寬的帶寬和更高的采樣率,以抓到在脈沖和復雜調制波形中的快速時域跳變。

    實際上,典型的峰值功率計會通過兩條測量路徑測量,分別測量平均功率和峰值功率。

    Figure5: 簡單的峰值功率計測量框圖

    由于二極管檢波器通常是寬帶的,因此脈沖波形的快速變化包絡會體現在二極管的輸出波形中,通過對二極管輸出電平進行轉換和補償即可得到瞬時功率。

    在濾波器之后,峰值功率計的ADC以高達1G/s的速率對信號進行采樣(Keysight 8990等峰值功率計),如此高的采樣率用于抓二極管輸出電平的時域形狀,可以從中得到峰值功率、脈沖寬度、周期、上升時間和下降時間等信號特征,如圖6。

    Figure6: 峰值功率計測量脈沖信號

    總結:

    1、功率計不能選擇頻率分量,只能測到進入功率計的總功率。
    2、功率計的靈敏度不高,功率計能測到的最小功率基本在-50dBm~-70dBm(根據探頭類型不同),在測量小信號時不確定度較大,測到的數據需要經過多次平均和平滑。
    3、頻譜儀不是專門測量功率的儀器,頻譜儀與功率計相比,功率測量精度較差。但是進行雜散或相鄰信道功率測量時,則選頻譜儀。
    主題閱讀:功率計  頻譜儀
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