射频通过式功率计的应用

射频通过式功率计的应用

一、通过式功率计的工作原理

射频功率可由两类仪器来测量：热偶式功率计和通过式功率计。

1.1 热偶功率计

热偶式测试法是先将射频功率转换为热能，测出其所产生的能量的总和，再将其转换为相应的功率读数（瓦特）。在热偶式测量法中，其测试结果基本上不受信号波形的影响。但热偶式功率计的成本，物理尺寸，测试响应时间，所需的附件设备，电缆和交流电源都决定了它不能得到广泛的应用。

1.2 通过式功率计

早在1952年，BIRD公司的创始人J. Raymond Bird发明了通过式功率计原理——Thruline?技术。从此，通过式功率测量法成为射频功率测量的工业标准一直至今。在工程应用及工程计量中，通过式功率计的作用是任何其它功率测试手段所无法替代的。

Thruline?通过式功率测量法的原理如下（见图1）：

图1、通过式功率测量法图图2、连续波（CW）功率计的代表产品—BIRD 43

通过式射频功率计实际上是一种信号激励装置，采用了一个无源的二极管射频传感器。在同轴线的一侧装有一个定向的，半波二极管检波电路，并将其接到一个已校正的表头以读出有效值功率。检波电路与传输线通过介质耦合，并根据置于传输线旁的传感器的方向取样出正向和反射功率。

Thruline?功率计的代表产品是BIRD公司的43型功率计（见图2），它自发明以来已经有超过25万台在全世界范围得到应用。43采用了无源线性二极管检波技术，可以测量单载频的FM，PM和CW信号的功率，或者与校准信号的峰均功率比完全一致的信号。

二、模拟调制和数字调制的射频信号

不同的射频调制信号的功率测量方法是不同的，让我们首先来比较一下不同的调制信号各有什么特点。

2.1 连续波（CW）和模拟调制信号

图3所示为连续波（CW）信号的波形，其特点是峰值包络是恒定的，FM和PM信号也同样。

图3、连续波（CW）信号的波形图4、调制度为75%的调幅（AM）信号的波形

PM和PM调制常见于双向无线电对讲机、寻呼发射机和调频广播等，可采用传统的连续波（CW）功率计（如BIRD43）进行功率测量，通常用平均功率来表征其输出功率。

图4所示为调幅（AM）信号的波形，如电视图象调制。由于其峰/均功率比是恒定值，所以这类信号也可以用连续波功率计进行测量。如电视图象功率的测量，是在75%的调幅度下测出其平均功率，再乘上1.68，所得结果即是峰值功率（又称同步顶功率）。

2.2 数字调制

经过近二十年来的通信发展，已经确定了采用数字调制标准。数字信号的特点是：其信号波形的对称性、频率、幅度和峰值/平均值功率比都会随机发生变化。这样的波形与常规调制的信号相比更像是噪声（图5），并可破坏连续波型功率计得以准确校正和使用的条件。另外，数字调制波形的大动态范围可以使连续波功率计的二极管检波电路超出平方率（线性）工作范围。用43这样的（动态范围为7dB）功率计测试数字调制信号的功率将会产生较大的测试误差。

图5、数字调制信号图6、数字调制射频信号的时域波形

2.3 数字调制的射频功率的定义

图6所示为数字调制射频信号的时域波形。定义如下：

平均功率（AVG）

——载频功率的平均值（热等效功率，相当于电压测量中的真有效值）。

平均突发功率（BRST AV）

——周期性载频突发功率的平均值，与突发脉冲信号的宽度t及重复率1/T有关：

平均突发功率= 平均功率×T/t

峰值因子或峰/均功率比（CF）

——峰值包络功率和平均功率之比：CF = PEP/AVG

峰值包络功率（PEP）

——载频功率的峰值。

互补积累分布函数（CCDF）

——正向功率超过给定的门限值的概率。

三、通过式功率计的应用

3.1射频功率的测量

与终端式（热偶式）功率计不同的是，通过式功率计真实的反映了一个发射系统中各个截面的正向功率和反射功率。

终端式功率计的输入阻抗是标准的50Ω。在功率测量中，终端式功率计替代了发射机的负载，也就是说，终端式功率计将发射机的负载理想化了。所以说，终端式功率计所测得的结果是发射机在理想负载时的输出功率；如果发射天馈系统的匹配情况良好，则这个结果可以真实反映发射系统的输出情况；如果发射天馈系统的匹配不好（如VSWR>1.5），则终端式功率计不能真实反映发射系统的情况。

而通过式功率计则不同，它实际上是在传输线一侧放置了一个耦合探头，与发射机的工作波长相比，功率计传感器的电长度几乎可以忽略不计。所以只要将通过式功率计置于发射系统的某个截面，那么得出的结果是这个截面的正向和反射功率（VSWR）。

图7、典型的发射系统

对于无线电运营商和制造商，通过式功率测量法是很有意义的。在一个典型的发射系统中（见图7），将通过式功率计置于不同的截面将会得到不同的测试结果：位置④——发射机的输出端，可以测量发射机的输出功率是否在设计的范围内，反射功率是否超过设定的保护门限；这是无线电设备研发和维护工程师所关心的。同时，这也是无线电监测站所关心的功率指标。

位置③——天线的输入端，可以确定发射机真正辐射到空间的信号究竟有多大；这是网

络规划和优化工程师所关心的。

位置②——可以检查发射系统在某个位置的匹配情况，这是设备维护工程师所关心的。

3.2测量无源器件的插入损耗

用二台通过式功率计可以十分准确的测出一个无源器件的插入损耗，其精度和网络分析仪的测试结果相当（见图8）。

图8-a）校准测量

图8-b）插入损耗测量

这种测量方法的基本原理是替代法。即先将二台功率计用一只精密的射频转接器（如Nf-Nf）直接连接，再用被测器件替代射频转接器，分别读出4个功率读数，从而计算出被测器件的准确插入损耗值。

用这种方法可以准确的测出一个蜂窝基站从发射机输出端到天线输入端的全部插入损耗，这对于基站的维护是有益的。虽然用网络分析仪也可以单端测量长电缆的插入损耗，但是网络分析仪必须在同一种介质下测量，而且要准确设定电缆的相速度，否则会产生附加的测试误差；而用功率计法就不需要知道这些参数，它只是把整个系统（包括跳线、主馈线，避雷器，定向耦合器等）一并当作一个二端口网络来对待。

3.3测量功率放大器的线性

用功率计除了可以测量放大器的功率，增益等指标外，还可以测量放大器的线性。

在现代通信系统中，设计工程师们更关心放大器的线性指标而不是效率指标，这是与系统的工作特性有关的，尤其是在宽带通信系统（如CDMA/WCDMA基站和直放站）中。放大器的线性通常用IM3来表征，这需要用信号源和频谱分析仪来搭建一个复杂的测试电路来完成。用通过式功率计也可以测量放大器的线性度，而且方法很简单：分别测出放大器输入和输出端的互补积累分布函数（CCDF），这二个数值越吻合，说明放大器的线性越好。

在用功率计法测量放大器的线性的同时，还能测量放大器的增益和输出功率；这对于生产线上的快速测试十分有意义。另外放大器的线性度直接影响到发射机输出频谱的纯净程度，因此也是无线电系统工程师的关注点。

3.4测量功率放大器的峰值因子（峰/均功率比）

和白噪声一样，放大器的平均功率只是其重要参数之一。鉴于多载频和数字调制系统的统计特性，峰值/平均值功率比是十分重要的参数。例如，8-VSB的数字调制信号的峰/均功率比通常为6dB，而CDMA调制信号则可高达10dB；如此高的峰值功率可能会导致放大器的饱和，这将造成数字信号的误码，所以正确测量放大器的峰均功率比对于放大器的研制和生产有着重要意义。

3.5大功率状态下放大器的输出驻波比测量

通常，功率放大器的输出驻波（S22）是在小信号状态下用网络分析仪测得。但实际上放大器在大功率和小功率情况下的工作状态是不同的，所以小信号下测得的S22不能完全代表大功率状态的的驻波比。

大功率状态下驻波比的精确测量方法有二种，一是用测量线，这种方法需要经过换算，而且测试过程比较繁琐，一般用于实验室，而不适合于现代生产线上的快速测量。另一种就是用通过式功率计，从图1的Thruline?工作原理可以看出，通过式功率计可以很轻易的做到很大的功率容量，因此，要测试大功率状态下放大器的输出驻波比，相对于网络分析仪来说，通过式功率计可以轻而易举的做到这一点（图9）。

图9、用通过式功率计测量大功率状态下的输出驻波比

这个问题一解决，放大器的驻波保护门限的设定也迎刃而解了。在通常，要设定放大器的输出驻波保护门限一般是在小功率下将放大器输出开路，来模拟一个反射功率。但是采用图9的方法，只要变化负载的驻波比（采用失配负载，可选择1.0，1.2，1.5，2.0，2.5，3.0… …任意值的驻波比），就可以准确的模拟真实的大功率状态下的输出驻波比了。

和网络分析仪法相比，用通过式功率计加（失配）负载的方法可以更加准确的测量放大器在大功率状态下的输出驻波比及保护门限。而且还可以提高生产线的测试速度，降低测试成本。

BIRD公司新近推出了一种数字通过式功率计——5012（见图11），这是Thruline?技术发明至今的一项较大进步。

5012是一台采用Thruline?技术的通过式功率计，可以测量数字信号的平均功率、突发功率、峰值功率、峰值因子（峰/均比）和互补积累分布函数（CCDF）。其工作频率为350-4000MHz，功率测量范围是0.15 ~ 150W（平均值）/400W（峰值）。

5012具有10MHz的视频带宽，适合现代通信的宽带测量要求，如UMTS系统。

图11、BIRD公司的新型数字功率计——5012