射頻通過式功率計的應(yīng)用

上海創(chuàng)遠電子設(shè)備有限公司 朱輝

在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，通常采用ＡＭ，ＦＭ或ＰＭ調(diào)制方式。這些發(fā)射機的射頻功率測量可以用線性連續(xù)波功率計完成。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，廣泛采用了數(shù)字調(diào)制方式，其射頻功率的測試方法也隨之改變了。

在本文中，首先討論了通過式功率計的工作原理，及數(shù)字調(diào)制信號的射頻功率的定義，理解了這些定義將有助于射頻功率的正確測量。然后例舉了通過式功率計在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。

一、通過式功率計的工作原理

射頻功率可由兩類儀器來測量：熱偶式功率計和通過式功率計。

熱偶式測試法是先將射頻功率轉(zhuǎn)換為熱能，測出其所產(chǎn)生的能量的總和，再將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的功率讀數(shù)（瓦特）。在熱偶式測量法中，其測試結(jié)果基本上不受信號波形的影響。但熱偶式功率計的成本，物理尺寸，測試響應(yīng)時間，所需的附件設(shè)備，電纜和交流電源都決定了它不能得到廣泛的應(yīng)用。

早在１９５２年，ＢＩＲＤ公司的創(chuàng)始人Ｊ．Ｒａｙｍｏｎｄ Ｂｉｒｄ發(fā)明了通過式功率計原理——Ｔｈｒｕｌｉｎｅ技術(shù)。從此，通過式功率測量法成為射頻功率測量的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一直至今。在工程應(yīng)用及工程計量中，通過式功率計的作用是任何其它功率測試手段所無法替代的。通過式射頻功率計實際上是一種信號激勵裝置，采用了一個無源的二極管射頻傳感器。在同軸線的一側(cè)裝有一個定向的，半波二極管檢波電路，并將其接到一個已校正的表頭以讀出有效值功率。檢波電路與傳輸線通過介質(zhì)耦合，并根據(jù)置于傳輸線旁的傳感器的方向取樣出正向和反射功率。 　?。裕瑁颍酰欤椋睿骞β视嫷拇懋a(chǎn)品是ＢＩＲＤ公司的４３型功率計，它自發(fā)明以來已經(jīng)有超過２５萬臺在全世界范圍得到應(yīng)用。４３采用了無源線性二極管檢波技術(shù)，可以測量單載頻的ＦＭ，ＰＭ和ＣＷ信號的功率，或者與校準(zhǔn)信號的峰均功率比完全一致的信號。

二、通過式功率計的應(yīng)用

１．射頻功率的測量

與終端式（熱偶式）功率計不同的是，通過式功率計真實的反映了一個發(fā)射系統(tǒng)中各個截面的正向功率和反射功率。 　　終端式功率計的輸入阻抗是標(biāo)準(zhǔn)的５０Ω。在功率測量中，終端式功率計替代了發(fā)射機的負(fù)載，也就是說，終端式功率計將發(fā)射機的負(fù)載理想化了。所以說，終端式功率計所測得的結(jié)果是發(fā)射機在理想負(fù)載時的輸出功率；如果發(fā)射天饋系統(tǒng)的匹配情況良好，則這個結(jié)果可以真實反映發(fā)射系統(tǒng)的輸出情況；如果發(fā)射天饋系統(tǒng)的匹配不好（如ＶＳＷＲ＞１．５），則終端式功率計不能真實反映發(fā)射系統(tǒng)的情況。

而通過式功率計則不同，它實際上是在傳輸線一側(cè)放置了一個耦合探頭，與發(fā)射機的工作波長相比，功率計傳感器的電長度幾乎可以忽略不計。所以只要將通過式功率計置于發(fā)射系統(tǒng)的某個截面，那么得出的結(jié)果是這個截面的正向和反射功率（ＶＳＷＲ）。 　　

２．測量無源器件的插入損耗

用二臺通過式功率計可以十分準(zhǔn)確的測出一個無源器件的插入損耗，其和網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試結(jié)果相當(dāng)。

這種測量方法的基本原理是替代法。即先將二臺功率計用一只精密的射頻轉(zhuǎn)接器（如Ｎｆ－Ｎｆ）直接連接，再用被測器件替代射頻轉(zhuǎn)接器，分別讀出４個功率讀數(shù)，從而計算出被測器件的準(zhǔn)確插入損耗值。詳情參見《用功率計測量插入損耗》一文（ＴＲＡＮＳＣＯＭ文件號：０３ＴＦ－００１－ｖ１．０－ＡＮ）。 　　用這種方法可以準(zhǔn)確的測出一個蜂窩基站從發(fā)射機輸出端到天線輸入端的全部插入損耗，這對于基站的維護是有益的。雖然用網(wǎng)絡(luò)分析儀也可以單端測量長電纜的插入損耗，但是網(wǎng)絡(luò)分析儀必須在同一種介質(zhì)下測量，而且要準(zhǔn)確設(shè)定電纜的相速度，否則會產(chǎn)生附加的測試誤差；而用功率計法就不需要知道這些參數(shù)，它只是把整個系統(tǒng)（包括跳線、主饋線，避雷器，定向耦合器等）一并當(dāng)作一個二端口網(wǎng)絡(luò)來對待。

３．測量功率放大器的線性

用功率計除了可以測量放大器的功率，增益等指標(biāo)外，還可以測量放大器的線性。 　　在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，設(shè)計工程師們更關(guān)心放大器的線性指標(biāo)而不是效率指標(biāo)，這是與系統(tǒng)的工作特性有關(guān)的，尤其是在寬帶通信系統(tǒng)（如ＣＤＭＡＷＣＤＭＡ基站和直放站）中。

放大器的線性通常用ＩＭ３來表征，這需要用信號源和頻譜分析儀來搭建一個復(fù)雜的測試電路來完成。用通過式功率計也可以測量放大器的線性度，而且方法很簡單：分別測出放大器輸入和輸出端的互補積累分布函數(shù)（ＣＣＤＦ），這二個數(shù)值越吻合，說明放大器的線性越好。

在用功率計法測量放大器的線性的同時，還能測量放大器的增益和輸出功率；這對于生產(chǎn)線上的快速測試十分有意義。另外放大器的線性度直接影響到發(fā)射機輸出頻譜的純凈程度，因此也是無線電系統(tǒng)工程師的關(guān)注點。 　　

和網(wǎng)絡(luò)分析儀法相比，用通過式功率計加（失配）負(fù)載的方法可以更加準(zhǔn)確的測量放大器在大功率狀態(tài)下的輸出駐波比及保護門限。而且還可以提高生產(chǎn)線的測試速度，降低測試成本。