- 探究面向非專業的射頻測量技術基礎
- 采用分貝進行功率測量
- 針對測試的需求選擇合適的測試儀器
引言
當前，基于射頻原理的無線通信產品俯拾即是，其數量的增長速度也非常驚人。從蜂窩電話和無線PDA，到支持WiFi的筆記本電腦、藍牙耳機、射頻身份標簽、無線醫療設備和ZigBee傳感器，射頻設備的市場規模在飛速擴大。僅從今年來看，全球制造并銷售的蜂窩電話將高達8.5億多只。
要想進行全面的生產測試并提高測試產能，測試工程師們必須要理解射頻基本原理，清楚測試的內容，并懂得選用最適合的儀器完成這些測試工作。問題是，大多數從事低頻應用（工作頻率在1MHz以下）的工程師不太熟悉高頻的應用特點。
忘掉電壓，射頻工程師常用功率
射頻信號的強度千差萬別。隨著信號在自由空間的傳播，單位功率將隨著距離的平方成比例降低，功率的變化常用分貝（dB）來表示。
采用分貝進行功率測量也大大簡化了計算過程。增益和損耗都按分貝為單位進行加減。因此，乘法操作簡化為加法操作。dB的形式化定義為：
dB = 10 log (Pout/Pin)
分貝dB是一個相對的值。另一個相關的單位是毫瓦分貝dBm，它是相對于1mW的絕對功率。圖1給出了dBm的值及其相應的瓦特數，其中還給出了移動電話的發射機發射功率參考范圍，以及靈敏接收機所能檢測到的最低信號功率。圖2給出的等式定義了室溫下射頻信號的理論熱噪聲。由于射頻信號通過空氣的傳輸以及受到大氣干擾和其它信號的干擾，到達接收機端的信號電平可能變得非常低。接收機常常需要檢測低于0.1pW的信號（或者低于微伏的信號電平）。
Noise Floor：本底噪聲
常見問題不再是輸入阻抗，而是傳輸線的阻抗失配
在低頻情況下，我們在電路上傳輸電壓的目標是實現最小的衰減幅度。其中，最有效的電路是輸入阻抗高而輸出阻抗低的電路。對于射頻應用，線纜的長度可能只有波長的四分之一，我們必須把信號傳輸當成波來理解。如果波受到阻斷，部分波信號就會發生反射。射頻傳輸的目標就是無損耗地將所有的功率傳給負載。任何功率的反射就意味著傳給負載功率的損失。因此，失配是一個關鍵的參數。電路元件和傳輸線之間的任何阻抗差異都會引起反射和功率損耗。
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圖2給出的等式定義了室溫下射頻信號的理論熱噪聲
為了盡量減少反射，無線測試與測量應用中的射頻線纜和組件都是基于50歐姆特征阻抗而設計的。相反，當阻抗匹配時，就實現了最佳的功率傳輸。
如果某個信號波從一種特征阻抗傳輸到另一種不同的特征阻抗，那么就會引起信號反射和反向傳輸。如果阻抗相同，就不會發生反射。當由于阻抗不連續而發生信號發射時，就會在傳輸線的兩個方向上出現信號波的傳輸。在這兩個波相位相同的點上，將出現最大的電壓幅值Vmax；在它們相位相差180度的點上，將出現 Vmin。Vmax和Vmin的比值稱為電壓駐波比，即VSWR。VSWR是衡量某個連接器或某條線纜的阻抗是否接近50歐姆的一個指標。圖3給出了理想情況下全匹配（沒有反射）、理想開路（100%反射），以及極端情況下這三個值之間的關系。
圖3給出了理想情況下全匹配理想開路以及極端情況下這三個值之間的關系
Return Loss：回波損耗
Reflected Power：反射功率
熟悉掌握新型的連接器、線纜和元件
帶BNC連接器的電纜通常在500MHz以上就開始衰減。在射頻領域，電纜通常配備N型連接器和SMA連接器。N型連接器常用在測試儀器上，因為它們非常耐用，可以處理高功率，能夠很好地工作在高達18GHz的頻率下。SMA連接器比N型連接器小得多，比N連接器的功率更低，但是可以很好地用于 18GHz以上的頻率下。
所有的射頻電纜都是同軸的。同軸射頻電纜可以是不可彎曲的（即剛性的）、可彎曲一定程度的（即半剛性的），或者可彎曲的。對于射頻而言，我們要比低頻情況下更小心地對待電纜。過分的彎曲電纜以及明顯的90度折彎都會損壞電纜，嚴重地降低傳輸性能。
在低頻情況下，良好的連接就是指導線之間要相互接觸（簡單的連續性）。而在射頻情況下，阻抗失配是很嚴重的問題，意味著良好的連接不僅要確保導線相互接觸，而且要求連接器也要正確的扭轉在一起。因此，射頻制造商常采用7英尺磅大小的扭矩，以確保連接器之間具有很好的接觸和最小的電阻（射頻術語稱為插入損耗）。
在整個測試系統中保證50歐姆的傳輸線
射頻電路中的并行連接或者多信號通路并不像低頻電路中的那樣簡單。保證整個電路通路阻抗匹配，減小阻抗不連續和信號反射是非常關鍵的。射頻開關的制作都采用精密加工，以確保整個開關都是50歐姆的阻抗。為了實現并行通路，人們采用所謂的分路器或分離器之類的器件將一條輸入信號通路分成兩條或多條輸出通路，每條通路50歐姆。組合器則實現相反的作用，將多條輸入通路合并成一條輸出通路。如果您是首次接觸射頻測試，那么不要被這些復雜的情況所嚇倒。射頻元件比同樣的直流元件成本要高得多。
您需要什么樣的射頻儀器以滿足您的測試需求？
低頻測試儀器正不斷豐富普及，射頻測試儀器的種類也越來越多，應用越來越廣泛，包括從信號源和功率計，到頻譜和網絡分析儀等各種儀器。這些儀器用于產生射頻信號，以及測量大量信號參數。
射頻功率計——射頻領域的數字萬用表
功率是射頻領域中最經常被測量的一個量。測量功率最簡單的方法就是使用功率計，它實際上是用來
測量射頻信號功率的。功率計中使用寬帶檢波器，按瓦特、dBm、或者dB μV顯示絕對功率的大小。對于大多數功率計而言，寬帶檢波器（或<傳感器）是一個射頻肖特基二極管或者二極管網絡，實現射頻到直流的轉換處理。
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功率計是所有測量功率的射頻儀器中最準確的。高端功率計（通常需要一個外部功率傳感器）可以實現0.1dB或更高的測量精度。功率計最低可以測量 -70dBm（100pW）的功率。傳感器有各種模型，從高功率模型、高頻率（40GHz）模型，到峰值功率測量的高帶寬模型等。
功率計有單通道和雙通道兩種。每個通道都需要配置自己的傳感器。兩個通道的功率計就能夠測量出一個器件、電路或系統的輸入和輸出功率，并計算出增益或損耗。
某些功率計能夠達到每秒200到1500次讀數的測量速度。而有些功率計能夠測量多種信號的峰值功率特性，包括通信和某些應用中使用的調制信號和脈沖射頻信號。雙通道的功率計還能夠準確測量出相對功率。功率計還可以針對便攜式應用的需要設計成尺寸精巧的外形，使其更適合于現場測試的需要。
功率計的主要局限在于其幅值測量范圍。頻率范圍是與測量量程之間進行折衷的。此外，功率計雖然能夠非常準確地測量出功率，但是無法表示信號的頻率分量。
射頻頻譜或射頻信號分析儀——射頻工程師的示波器
頻譜或矢量信號分析儀利用窄帶檢測技術在頻域內測量射頻信號。其主要的輸出顯示是功率頻譜與頻率之間的關系，包括絕對功率和相對功率。這種分析儀還可以輸出解調信號。
頻譜分析儀和矢量信號分析儀沒有像功率計那樣的精確性，但是，射頻分析儀中使用的窄帶檢測技術使其能夠測量低達-150dBm的功率。射頻分析儀的精度一般在±0.5dB以上。
頻譜和矢量信號分析儀可以測量的信號頻率從1kHz到40GHz（甚至以上）。頻率范圍越寬，分析儀的成本就越大。最常見的分析儀的頻率達到3GHz。工作在5.8GHz頻率范圍的新通信標準就需要帶寬為6GHz以上的分析儀。
矢量信號分析儀是增加了信號處理功能的頻譜分析儀，它不僅能夠測量信號的幅值，而且能夠將信號分解成它的同相和正交分量。矢量信號分析儀可以將某些調制信號進行解調，例如一些由移動電話、無線LAN設備和基于其他一些新通信標準的設備所產生的調制信號。矢量信號分析儀可以顯示星座圖、碼域圖和調制質量（例如誤差矢量幅度）的計算度量。
傳統的頻譜分析儀是掃描-調諧式設備，因為其中的局部振蕩器要掃描一個頻率范圍，窄帶濾波器就可以獲取該頻率范圍內每個單位頻率上的功率分量。矢量信號分析儀也掃描一部分頻譜，但是它們捕捉一定寬帶內的數據進行快速傅立葉變換得到單位頻率上的功率分量。因此矢量信號分析儀掃描頻譜的速度比頻譜分析儀快得多。
評價矢量信號分析儀性能的關鍵指標在于它的測量帶寬。一些新的高帶寬通信標準，例如WLAN和WiMax，需要捕捉帶寬為20MHz的信號。要想捕捉并分析這些信號，分析儀必須具有足夠大的帶寬才能捕捉到整個信號。如果測試高帶寬、數字調制的信號，那么要確保分析儀的測量帶寬能夠充分捕捉到所測的信號。
頻譜分析儀可以用于檢驗待測發射機是否產生了正確的功率頻譜。如果設計工程要求測試某些失真分量，例如諧波或寄生信號，那么就需要采用頻譜分析儀或矢量信號分析儀。類似的，如果設計者關注器件的噪聲功率，那么也需要使用這樣的射頻分析儀。其他一些需要頻譜分析儀或矢量信號分析儀的例子包括：測試互調失真、三階截斷、功率放大器或功率晶體管的1dB增益壓縮、器件的頻率響應等。
測試那些涉及數字調制信號的發射機或放大器就需要使用矢量信號分析儀，對調制信號進行解調。矢量信號分析儀能夠測量出某個器件產生了多大的調制失真。解調過程是一個復雜、計算密集的過程。能夠快速進行解調和測量計算操作的矢量信號分析儀就可以大大縮短測試時間，降低測試成本。
射頻信號源
所有的射頻信號源都能產生連續（CW）射頻正弦波信號。某些信號發生器也能夠產生模擬調制射頻信號（如AM信號或脈沖射頻信號），矢量信號發生器采用IQ調制器產生各種模擬或數字調制信號。
射頻信號源進一步可以分成很多種，包括固定頻率CW正弦波輸出源、掃描輸出一個頻段非固定頻率CW正弦波的掃頻源、模擬信號發生器以及增加模擬和數字調制功能的矢量信號發生器。
如果測試需要激勵信號，那么就需要射頻信號源。射頻信號源的關鍵指標是頻率與幅值范圍、幅值精度和調制質量（對于產生調制信號的信號源而言）。頻率調諧速度和幅值穩定時間對于減少測試時間也是非常關鍵的。
矢量信號發生器是一種高性能的信號源，通常結合任意波形發生器一起產生某些調制信號。通過任意波形發生器可以使矢量信號發生器產生任意類型的模擬或數字調制信號。這種發生器可以在內部產生多種基帶波形，在某些情況下，也可以在外部產生某種基帶波形然后載入到儀器中。如果測試規范要求被測的
元件、設備或系統按照待測設備最終使用中的處理調制方式進行測試，那么這種情況下通常需要使用矢量信號發生器。
如果測試規范需要進行接收器靈敏度測試、誤碼率測試、相鄰信道抑制、雙音互調抑制、或雙音互調失真的測試，那么也需要使用射頻信號源。雙音互調測試和相鄰信道抑制測試需要兩個信號源，接收器靈敏度測試和/或誤碼率測試只需要使用一個射頻信號源。
如果待測器件是用于移動電話的，那么測試者可能要根據移動電話標準的需要進行調制信號類型的測試。移動電話功率放大器需要結合調制信號源（例如矢量信號發生器）進行測試。在選擇某種矢量信號發生器之前，要評估一下該信號發生器在不同調制信號之間的切換速度，以確保其能夠提供最快的測試時間。
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網絡分析儀
除了頻譜分析儀和矢量信號分析儀，第三類分析儀就是網絡分析儀。網絡分析儀包含一個內置的射頻信號源和一個測試射頻器件的寬帶（或窄帶）探測器。網絡分析儀以x-y坐標、極坐標或史密斯圓圖的形式輸出顯式器件的特性。
從本質上來看，網絡分析儀測量的是器件的S參數。矢量網絡分析儀可以提供幅值和相位信息，可以以很高的精度判斷這些器件在某個寬頻段上的傳輸損耗與增益。通過矢量網絡分析儀，還可以測量出回波損耗（反射系數）和阻抗匹配，進行相位測量和群延遲測量。
網路分析儀主要用于分析諸如濾波器和放大器之類的元件。值得注意的是，網絡分析采用的是未經調制的連續波，分析儀的校準十分重要。利用制造商提供的校準工具包可以實現網絡分析儀的校準。
由于網絡分析儀在一臺儀器內集成了信號源和測量功能，而且分析儀具有較寬的頻率范圍，因此這類儀器的價格比較昂貴。
典型應用
需要同時使用四種主要的射頻測試儀器的一個應用實例就是功率放大器（PA）的測試。
信號源可以提供輸入信號，功率計或頻譜分析儀可以測量輸出功率。如果精度非常重要，例如在測量最大功率時，那么就需要使用功率計進行輸出測量。
PA的輸入匹配對于從事射頻發射器的設計者來說是一個關鍵參數。放大所有供給PA的功率，不因反射而損耗實際的功率，這是非常重要的。因此，PA制造商都會指明并測量PA的回波損耗（即S11），這是網絡分析儀可以測量出的。另外，如果僅僅需要測量標量幅值，那么可以通過一個耦合器將一個信號源和一個頻譜分析儀（或功率計）結合起來，測量反射功率的幅值。相比使用網絡分析儀來看，這種方法唯一的缺點就是配置過程更加復雜，需要使用額外的無源射頻元件。對于回波損耗標量的測量，功率計能夠實現更精確的功率測量。
對于輸入阻抗與輸出阻抗（一般為50歐姆）不匹配的負載，PA向這樣的負載傳輸功率的能力是衡量該PA在真實條件下性能的一個重要指標，因為在真實條件下負載（例如天線）不一定恰好具有50歐姆的特性輸入阻抗。在這種情況下，非 50歐姆的電阻負載就會切換到該PA的輸出端。這種負載將迫使PA輸出高達20:1的VSWR（理想匹配的情況下，50歐的負載將會得到將近1:1的 VSWR）。PA必須能夠正確工作，在存在大量反射功率的情況下為負載提供一些功率。
某些輸出測量需要進行頻譜分析。用于廣播或移動電話領域（或者其他符合FCC規定的應用）的射頻PA要求在PA工作頻道的相鄰頻道內不能產生多余的功率。對相鄰信道功率、互調失真和諧波失真的測量就是測量PA在真正傳輸信道之外所產生的功率。對于這些測量而言，動態范圍、在存在大信號（例如載波信號）的情況下測量小信號的能力就成為頻譜分析儀的一項重要指標。例如，如果某個PA的指標表明它的相鄰信道功率（對于某類調制機制，或者對于某種特殊的移動電話標準）是60dBc（載波下分貝），那么該頻譜分析儀的動態范圍（在所需的測試條件下）必定比諧波功率、相鄰信道功率或互調分量的最小容許功率至少大6dB。
鄰信道功率必須采用調制信號進行測量，也就是說必須考慮信號源的鄰信道性能。信號源的鄰信道功率輸出必須比功率放大器產生的最大容許鄰信道功率至少小6dB。
對于諧波的測量，分析儀的頻率范圍必須比該PA的最大工作頻率（3dB帶寬頻率）大三倍，以充分捕捉最大工作頻率的三次諧波功率。此外，頻譜分析儀的動態范圍和本底噪聲必須至少比待測值低6dB，才能很好的測量三次諧波分量；必須具有合理的信噪比，才能實現精確和可復現的測量。諧波測量顯示的是PA產生的失真大小。過多的失真會對調制性能產生負面影響。
當不同頻率的信號或不同頻率的信號分量成為PA輸入時，互調失真就決定了PA產生了多少失真。產生這樣的測試信號需要兩個信號源。而一個雙輸出的信號源是不夠用的，因為它的兩個輸出信號之間沒有充分的隔離。信號源會產生自身的互調失真，這會導致過高放大器失真測量，帶來測量結果的錯誤。
針對移動電話市場和某些市場領域（例如WLAN應用）而設計的PA也經常要進行調制質量的測試，在這些應用領域中一般采用比較復雜的調
制機制。這類測試通常要測量誤差矢量幅值（EVM）。
結束語
上述對主要射頻理論的簡要介紹旨在幫助讀者回顧一下相關知識。這些對射頻測試儀器的概述將為讀者針對測試的需求選擇合適的測試儀器提供一些總體上的指導。在大多數情況下，測試者將會用到這四種測試儀器中的一種或幾種：信號源、功率計、頻譜分析儀和網絡分析儀。
