Введение в измерение радиочастотной мощности

Для измерения мощности применяется множество инструментов и методик. В данной статье мы сосредоточимся на электрической мощности, определяемой как произведение напряжения на ток. Далее мы сузим обсуждение до радиочастотной мощности, которая подразумевает более высокие частоты, например, сигналы свыше 10 МГц, требующие более сложных приборов, чем обычный вольтметр, из-за особенностей поведения высокочастотных электрических сигналов.

Критически важно выбрать подходящий метод для измерения мощности радиочастотного сигнала в конкретной ситуации. Если уровень сигнала слишком высок, может произойти насыщение входа прибора, что приведет к искажениям, появлению гармоник, наводок и других нелинейных эффектов. Если же уровень сигнала слишком низок, он может затеряться в шумовом фоне, что затруднит его обнаружение и анализ.

Типы измерений мощности радиочастотного сигнала

Современное тестовое оборудование способно выполнять различные виды измерений мощности РЧ сигналов. Разнообразие форм ВЧ сигналов требует применения различных методик измерения их мощности.

Наиболее простой формой волны является непрерывный (CW) РЧ синусоидальный сигнал, характеризующийся постоянными амплитудой, частотой и фазой в течение определенного периода времени. Измерения мощности ВЧ сигнала в режиме CW представляют собой экономически эффективное решение для анализа однотональных сигналов.

Измерения среднеквадратичной мощности РЧ идеально подходят для сигналов с изменяющимися во времени параметрами, таких как модулированные или многотональные сигналы, и позволяют получить информацию о средней мощности РЧ на протяжении определенного временного интервала.

Измерения пиковой и средней ВЧ мощности являются высокопроизводительными методами, предназначенными для анализа модулированных и быстрых импульсных сигналов, требующих расширенных возможностей, таких как построение профилей импульсов, определение времени нарастания/спада, пиковых значений и работа с широкой полосой пропускания.

Кроме того, для импульсно-модулированных ВЧ сигналов важно определять интервал повторения импульсов (PRI или период) или частоту повторения импульсов (PRF), а также длительность импульса (PW). Для импульсного радиочастотного сигнала импульсная мощность рассчитывается как средняя мощность, деленная на рабочий цикл формы волны. Поскольку многие импульсно-модулированные сигналы не обладают идеальной прямоугольной формой, часто измеряется пиковая огибающая мощности для определения максимальной мощности РЧ сигнала во время присутствия импульса.

Другие виды модулированных радиочастотных сигналов могут требовать дополнительных измерений мощности для описания их специфических характеристик, например, комплементарной кумулятивной функции распределения (CCDF). Этот параметр показывает, насколько пиковая мощность превышает средние значения мощности. Он особенно полезен в радиочастотной связи для оптимизации энергопотребления и снижения нагрузки на радиочастотные усилители мощности. Схожим показателем является отношение пиковой мощности к средней, также известное как пик-фактор или коэффициент амплитуды. Для сигналов с амплитудной (AM) и частотной (FM) модуляцией используются индексы модуляции, указывающие на эффективность модуляции и позволяющие оценить, насколько рационально используется ВЧ мощность.

В электрических цепях мощность РЧ сигнала чаще всего выражается в дБм или децибелах относительно одного милливатта. Благодаря использованию логарифмической шкалы, 0 дБм соответствует одному милливатту, +10 дБм – 10 милливаттам (0,01 ватта) и так далее. Поскольку дБм отсчитывается от одного милливатта, эта единица является абсолютной мерой мощности. При работе с радиочастотной мощностью часто удобно использовать относительные величины, например, децибелы относительно мощности несущей (dBc) или децибелы относительно уровня шума (отношение сигнал/шум, SNR). Логарифмическая природа децибелов позволяет измерять широкий диапазон линейной мощности на сравнительно небольшой шкале. Например, 0 дБм соответствует одному милливатту, а 1 ватт (что в 1000 раз больше) равен 30 дБм. Таким образом, линейный коэффициент 1000 может быть представлен всего тремя делениями на логарифмической шкале.

Приборы для измерения мощности ВЧ

Выбор оптимального прибора для измерения ВЧ мощности зависит от конкретных требований к измерениям. Анализатор спектра является универсальным инструментом, способным выполнять множество различных измерений. Многие современные анализаторы спектра также обладают специализированными возможностями измерения. Они являются частотно-избирательными, что делает их особенно полезными в случаях, когда требуются узкополосные измерения ВЧ мощности. Одним из компромиссов является хорошая, но не исключительная точность измерения средней мощности. В зависимости от модели, большинство анализаторов спектра обеспечивают точность измерения ВЧ мощности в диапазоне от ±2,0 дБ до ±0,25 дБ.

Векторный анализатор цепей (VNA) также способен измерять ВЧ мощность. VNA отличаются высокой точностью, поскольку они измеряют как фазу, так и амплитуду сигнала, обычно в виде соотношения таких параметров, как коэффициент усиления и групповая задержка. Большинство VNA не так хорошо справляются с измерением абсолютных параметров, например, выходной мощности РЧ усилителя. Тем не менее, многие современные VNA могут обеспечить приемлемую абсолютную точность, превосходящую возможности анализатора спектра, благодаря использованию методов калибровки и специализированных приложений.

Одним из наиболее точных способов измерения мощности РЧ является использование измерителя мощности РЧ или датчика мощности РЧ. Эти устройства содержат сенсорный модуль, который измеряет мощность РЧ на входе и преобразует ее в напряжение, пропорциональное мощности РЧ. Затем это аналоговое напряжение передается по кабелю, где оно считывается и комбинируется с калибровочными константами, специфичными для данного датчика, в результате чего получается точное измерение мощности РЧ. В современных измерителях мощности и датчиках мощности эти калибровочные константы хранятся в EEPROM, который обычно обновляется во время ежегодной калибровки прибора. В более старых приборах калибровочные значения указывались на этикетке прибора и требовали ручного ввода.

Современные измерители мощности и датчики мощности определяют радиочастотную мощность одним из двух способов. В первом случае используются диоды, преобразующие РЧ мощность в напряжение непосредственно при работе в линейной области характеристики диода. Для расширения диапазона измерений часто применяется несколько диодов. Диодные датчики отличаются высоким быстродействием и способностью быстро реагировать на изменения в радиочастотном сигнале. Однако они имеют ограниченный динамический диапазон.

Альтернативный метод определения мощности радиочастотного сигнала основан на использовании термисторов. Термисторы нагреваются под воздействием ВЧ мощности и создают сопротивление, пропорциональное этой мощности. Термисторы обладают очень широкой полосой пропускания и особенно эффективны для измерения средней мощности РЧ. Однако они обычно работают медленнее, чем диоды. Независимо от типа используемого сенсора (диоды или термисторы), они размещаются в непосредственной близости от ВЧ разъема или внутри него в головке ВЧ датчика.

ВЧ измерители мощности в сравнении с ВЧ датчиками мощности

Измерители мощности и датчики мощности тесно связаны между собой, но имеют несколько ключевых различий. Измерители мощности представляют собой автономные приборы, которые считывают и отображают измеренную РЧ мощность. В целом, они существуют на рынке значительно дольше, чем датчики мощности. Большинство ВЧ измерителей мощности оснащены сменными ВЧ головками, что позволяет использовать различные диапазоны ВЧ мощности, типы измерений и частотные диапазоны. Измерители мощности ВЧ обычно имеют встроенный опорный сигнал ВЧ для калибровки прибора между периодическими заводскими калибровками (как правило, проводимыми ежегодно).

Современный подход к измерению мощности реализуется с помощью датчиков мощности. В этом случае отдельный измерительный прибор заменяется программным обеспечением, работающим на персональном компьютере, который подключается к датчику мощности через интерфейс USB или LAN. Этот же интерфейс обеспечивает подачу питания постоянного тока на датчик мощности. Ежегодная калибровка гарантирует точность датчика мощности в пределах заявленных производителем значений. Датчики мощности выпускаются в различных вариантах, охватывающих разные диапазоны частот и мощности. Программное обеспечение предоставляет графический пользовательский интерфейс (GUI) и дополнительные функции, такие как специализированные измерения, и обычно способно поддерживать работу с несколькими USB-датчиками мощности, подключенными к одному ПК.

Серия PWR от компании Mini-Circuits является примером обширного семейства датчиков мощности с управлением через USB и Ethernet, которые обеспечивают выдающиеся характеристики по конкурентоспособной цене. Широкополосные датчики доступны в ряде популярных частотных диапазонов вплоть до 40 ГГц, отличаются высокой скоростью измерений, превосходной точностью и динамическим диапазоном до 80 дБ. Входящее в комплект программное обеспечение с графическим интерфейсом, представленное на рисунке 1, предоставляет полный набор функций для измерения мощности с любого ПК под управлением Windows, а API (интерфейс прикладного программирования) позволяет автоматизировать измерения мощности с использованием большинства популярных сред программирования (включая Python, MatLab, LabVIEW и другие).

Рисунок 1. Радиочастотный датчик мощности интерфейсом USB и Ethernet и графическим интерфейсом пользователя.

Источники погрешности измерений

При использовании любого измерителя мощности ВЧ или USB-датчика мощности ВЧ следует уделить особое внимание обеспечению наилучшего согласования между тестируемым устройством и измерительным прибором. Как упоминалось ранее, эти приборы не измеряют фазу сигнала, поэтому коррекция векторной ошибки невозможна. Это справедливо для любого скалярного прибора, включая ранее упомянутые анализаторы спектра.

Для измерителей мощности и USB-датчиков мощности существуют два основных источника ошибок измерения. Первый – это потери на рассогласование. Эти потери мощности возникают внутри датчика из-за нагрева, калибровки и других факторов, связанных с конструкцией и компоновкой датчика. Второй источник – неопределенность рассогласования. Несовершенное согласование импедансов между датчиком мощности и источником сигнала создает стоячую волну в радиочастотном тракте. Это взаимодействие падающей и отраженной мощности приводит к неопределенности в измерениях. Схематично это показано на рисунке 2.

Рисунок 2: Потери на рассогласование и неопределенность вносят существенный вклад в погрешность измерений радиочастотных измерителей мощности и датчиков мощности.

Применение передовых методик, таких как использование высококачественных разъемов и правильная затяжка компонентов, позволяет минимизировать эти ошибки. Другие источники погрешностей включают температурную нестабильность, дрейф параметров, неточности калибровки, низкое качество или повреждение компонентов, а также ошибки квантования. При работе с любой высокопроизводительной измерительной системой пользователь должен тщательно изучить и принять меры по минимизации всех значимых источников погрешностей измерений.

Заключение

Множество современных приложений требуют точного измерения мощности РЧ сигналов. У пользователей есть широкий выбор приборов, способных наилучшим образом удовлетворить их конкретные требования. Датчики мощности с интерфейсом USB или LAN представляют собой отличное решение для многих задач. При правильном применении они обеспечивают высокую точность измерений, привлекательную стоимость и удобство подключения в сочетании с интуитивно понятным графическим интерфейсом на базе персонального компьютера.