基于二極管檢波的功率測量技術(shù)研究

圖4 典型峰值功率測量通道原理框圖

峰值功率測量通道典型原理如圖4所示，二極管輸出的檢波信號首先進(jìn)入低噪聲前置放大器，經(jīng)濾波和帶寬控制后一路進(jìn)入后置放大電路，然后進(jìn)入高速ADC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，另一路進(jìn)入觸發(fā)和精密內(nèi)插電路，通過比較電路產(chǎn)生同步觸發(fā)時鐘信號，最后由DSP或CPU 完成數(shù)據(jù)的補(bǔ)償和信號處理，實(shí)現(xiàn)功率脈沖各種時域參數(shù)[3]的自動測量和統(tǒng)計分析，并最終顯示給用戶。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高儀器的動態(tài)范圍，常常根據(jù)檢波信號的大小，利用開關(guān)電路將信號進(jìn)行高低量程切換，即將信號分為兩路，分別經(jīng)不同放大電路進(jìn)行處理，或者直接采用大動態(tài)范圍對數(shù)放大電路放大檢波信號，這既保證了小信號的測量靈敏度，又保證了大動態(tài)范圍，最后再由ADC將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳給DSP進(jìn)行量程識別和處理。為了以較低的采樣速率獲得較高的重復(fù)信號測量帶寬，現(xiàn)代峰值功率測量儀器常采用隨機(jī)采樣技術(shù)，利用精密內(nèi)插電路，大大提高了脈沖功率測量的時間分辨率，可進(jìn)行納秒級上升時間和脈沖寬度等時間參數(shù)的測量。

3、復(fù)雜調(diào)制信功率測試的新需求

得益于半導(dǎo)體和計算技術(shù)不斷發(fā)展，二極管逐漸成為傳感功率的主要元件，平衡配置的二極管檢波探頭的視頻帶寬可達(dá)100MHz，其技術(shù)已相對成熟，技術(shù)更新日趨減緩。基于此，功率測量的發(fā)展重點(diǎn)集中在對新興數(shù)字調(diào)制信號的測量與分析以及測量設(shè)備的小型化和模塊化上。

一方面，隨著數(shù)字通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，涌現(xiàn)出大量的數(shù)字矢量調(diào)制技術(shù)[4]，如PSK、8-PSK、GMSK、16QAM、pi/4-DQPSK等，這些信號已經(jīng)逐漸從早期對載波的幅度調(diào)制，過度到對載波相位和幅度的綜合調(diào)制?，F(xiàn)代通信常常采用復(fù)用和多址技術(shù)，在時域上，這些信號的功率包絡(luò)也從簡單的周期性脈沖信號過渡到占空比和脈沖功率同時變化的信號，有的甚至沒有明顯的脈沖包絡(luò)，時域波形與隨機(jī)噪聲非常類似（如CDMA、WLAN 802.11a），并且具有超過50dB的峰均功率比。這些新型調(diào)制技術(shù)對儀器的視頻帶寬、動態(tài)范圍、實(shí)時采樣速率提出了更高的要求，同時要求儀器能夠?qū)崿F(xiàn)多種觸發(fā)功能，從而可以自動識別幀模式信號的有效載荷，并結(jié)合特定的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和處理方法分析信號的功率特性，如PDF（概率密度函數(shù)）、CCDF（互補(bǔ)累積分布函數(shù)）等統(tǒng)計分析工具。

以TD-SCDMA為例，TD-SCDMA是我國提出的一種移動通信標(biāo)準(zhǔn)，該技術(shù)綜合應(yīng)用了頻分、時分和碼分多址技術(shù)，其時分技術(shù)允許基站和移動終端分時使用同一個頻帶，碼分多址技術(shù)允許16個用戶共享一個時隙，其典型時域波形如圖5所示。圖中3個有效時隙的功率電平和峰均功率比各不相同，并且各個時隙的功率電平表現(xiàn)為類似噪聲的信號，因此在測量TD-SCDMA信號時，必須能夠準(zhǔn)確測量各個時隙的時間寬度、上升時間、下降時間，各時隙的峰值功率、平均功率和峰均功率比，并利用統(tǒng)計分析功能檢查各有效時隙是否存在元件非線性引起的削波或壓縮現(xiàn)象。在測量此類信號時，必須保證30MHz以上的視頻帶寬，采用100MSPS以上的采樣率和大于50dB的動態(tài)范圍，采用時間門或標(biāo)記功能對有效載荷進(jìn)行獨(dú)立的功率測量和功率統(tǒng)計分析，這樣才能實(shí)現(xiàn)對數(shù)字調(diào)制信號的正確測量和分析。

圖5 TD-SCDMA功率包絡(luò)時域波形

微波功率測量儀器在向?qū)拕討B(tài)范圍、大視頻帶寬和高采樣速率發(fā)展的同時，還逐漸向小型化和模塊化方向發(fā)展。目前， VXI微波功率測量模塊已經(jīng)獲得普遍應(yīng)用，PXI功率測量模塊也已經(jīng)進(jìn)入市場。由于部分探頭內(nèi)部采用高穩(wěn)定的直流參考電路，已經(jīng)不需要校準(zhǔn)源進(jìn)行線性校準(zhǔn)，這使得基于USB接口的平均功率探頭開始出現(xiàn)，這種設(shè)計方案不需要功率計主機(jī)，無需頻繁利用校準(zhǔn)源進(jìn)行校準(zhǔn)，功率探頭直接或經(jīng)過適配器連接到計算機(jī)、PDA或其他測量儀器的USB主機(jī)接口，主機(jī)利用內(nèi)部主控軟件即可實(shí)現(xiàn)功率顯示和參數(shù)設(shè)置，這大大縮減了測試步驟，非常利于搭建自動測試系統(tǒng)。相信隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，具有多種觸發(fā)功能的USB峰值功率探頭和具有顯示和小鍵盤輸入的手持式功率測量設(shè)備也將出現(xiàn)，這無疑會極大方便現(xiàn)場測試應(yīng)用和測試系統(tǒng)的組建。

4、結(jié)束語

二極管功率檢波具有較好的靈敏度和動態(tài)范圍，并且能夠快速響應(yīng)信號的包絡(luò)變化，已經(jīng)逐漸取代熱敏電阻和熱電偶成為傳感微波功率的主要手段?，F(xiàn)代峰值功率測量儀器采樣速率可達(dá)到100MSPS，通道帶寬達(dá)到30MHz，最小可測脈沖寬度達(dá)10ns，動態(tài)范圍一般超過50dB，甚至達(dá)到60dB[1,5]，可進(jìn)行多種脈沖功率參數(shù)的測量，如峰值功率、平均功率、頂部幅度、底部幅度[3]、上升時間、下降時間、脈沖寬度、占空比、脈沖重復(fù)頻率等。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了準(zhǔn)確測量射頻和微波功率，必須在掌握被測信號特性和測試需求的基礎(chǔ)上，了解功率探頭檢波特性、主機(jī)測量通道及數(shù)據(jù)分析和處理能力。特別是在數(shù)字矢量調(diào)制信號的功率測量應(yīng)用中，必須根據(jù)信號頻率范圍、功率范圍、功率電平、信號的頻譜功率總量以及調(diào)制形式等因素，在明確測量不確定度的基礎(chǔ)上，選擇恰當(dāng)?shù)墓β蕼y量解決方案。