基于功分器并外接功率計(jì)實(shí)現(xiàn)精確控制輸出功率的解決方案

電平控制探頭可以精確產(chǎn)生所需要的信號功率，可用于頻譜儀、接收機(jī)等儀器的計(jì)量，也可以用于精確的系統(tǒng)增益評估等應(yīng)用。傳統(tǒng)的校準(zhǔn)解決方案都是采用外置功分器并外接功率計(jì)的方式來實(shí)現(xiàn)精確功率的產(chǎn)生。

一、精確控制輸出功率的傳統(tǒng)解決方案

信號源的真實(shí)輸出功率總會隨著時間、頻率有微小的變化，要使到達(dá)被測件的功率盡可能精確，就需要實(shí)時地對輸出功率進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)的功率探頭無法單獨(dú)完成這樣的工作，必須外接功分器來實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，其中UUT為被測單元，如接收機(jī)、頻譜儀或者需要精準(zhǔn)功率的射頻微波模塊。

圖1. 外接功分器的解決方案

這種方法可以在調(diào)節(jié)信號源輸出功率的同時，監(jiān)控到達(dá)UUT的輸入功率，但是由于外接功分器的駐波特性的不理想，對信號源輸出信號的不確定度有影響，對UUT端口的實(shí)際功率無法精確的控制。

為了精確的控制到達(dá)被測單元的功率值，必須在UUT處放置另一臺功率計(jì)或功率探頭來保證精度。測試配置如圖2所示。信號源輸出經(jīng)過功分器，在一個端口用探頭A監(jiān)測，另一個端口UUT接收，但需要另一個探頭B來保證精度，信號電平精度得到了保證，但是配置和測試過程復(fù)雜，成本高。

圖2. 實(shí)時監(jiān)控UUT輸入功率值的測試配置

二、NRP系列功率探頭的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的功率測量必須具備功率計(jì)主機(jī)以及不同頻率和功率測試范圍的功率探頭，才能完成測試，在測試前還需要用一個0dBm的校準(zhǔn)信號進(jìn)行功率計(jì)校準(zhǔn)。

R&S NRP系列功率探頭采用了全新的智能功率測量技術(shù)，探頭本身就是一臺功率計(jì)，探頭后面的連接線僅用來傳輸測試數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了功率測量和數(shù)據(jù)處理的一體化，測量前只需在探頭空載時進(jìn)行清零操作，便可開始精確的功率測量，可以測量平均功率、時隙功率、突發(fā)功率等，如果采用NRP-Z81峰值探頭，還可以實(shí)現(xiàn)峰值功率測量，可測量的最小脈沖分辨率達(dá)到了12.5ns，最大帶寬為30MHz。

先進(jìn)的技術(shù)使得NRP系列功率探頭的應(yīng)用更為方便靈活，典型應(yīng)用方式為以下三種：

a） 可以直接連接功率計(jì)主機(jī)，得到功率測試結(jié)果；

b） 通過USB接口與PC相連，使用軟件NRPview或編程實(shí)現(xiàn)功率測量；

c） 連接R&S 公司的信號源、頻譜儀、矢網(wǎng)、接收機(jī)等儀器，實(shí)現(xiàn)功率測量。

三、R&S 電平控制探頭的解決方案及應(yīng)用

R&S NRP-Z28（頻率范圍10MHz~18GHz）、NRP-Z98（頻率范圍9kHz~6GHz）系列電平控制探頭，包括了一個低反射系數(shù)的功分器，和一個多通道的二極管功率探頭，探頭結(jié)構(gòu)及其工作原理可參見圖3，

射頻輸入信號經(jīng)過功分器，一路輸出到射頻輸出，另一路到內(nèi)置的功率探頭內(nèi)，實(shí)現(xiàn)精確的功率測量，然后測試數(shù)據(jù)通過USB接口輸出。

R&S NRP-Z28/Z98系列探頭把功分器和功率探頭很好地結(jié)合在一起，減少了外部功分器的連接不便與不確定性因素。同時，由于NRP系列探頭的測量與數(shù)據(jù)處理一體化優(yōu)勢，可以直接將探頭USB輸出連接到SMU200A/SMJ/SMATE/SMA/SMB/SMF等R&S公司的數(shù)字、射頻、微波信號源上?？芍苯釉谛盘栐唇缑嫔贤瓿呻娖降木_測量和調(diào)整，確保到達(dá)被測單元的功率值的精確性。

圖3. R&S NRP-Z28/Z98 的結(jié)構(gòu)及其工作原理

在圖4中可以看到，而如果沒有NRP-Z28/Z98的修正，信號源輸出功率隨著頻率變化可能有零點(diǎn)幾dB的偏差（藍(lán)色曲線），該偏差由于信號源頻率響應(yīng)或端口駐波的影響而產(chǎn)生，無法滿足精確測量的要求，而采用電平控制探頭可以精確的對信號源頻響和端口駐波的影響進(jìn)行補(bǔ)償，圖中上面的粉紅色曲線是經(jīng)過NRP-Z28/Z98修正后的電平輸出（粉紅色曲線）非常精確穩(wěn)定。

圖4. 帶電平修正和不帶電平修正的差別

NRP-Z28/Z98與信號源有兩種連接方式，在圖5中，左邊是帶功率計(jì)主機(jī)的方式，右邊是直接連接信號源的方式，第二種連接更為簡單方便，可以直接在信號源的屏幕上進(jìn)行精確的電平調(diào)節(jié)，操作界面如圖6所示。

圖5. 兩種電平控制探頭的連接方法

圖6. 在信號源SMU界面直接進(jìn)行功率的測量與調(diào)節(jié)

四、保證測試準(zhǔn)確度

由于反射系數(shù)的影響，會引入測量的不確定度，NRP系列探頭可以把反射系數(shù)考慮進(jìn)去，對結(jié)果進(jìn)行伽馬（:）修正，NRP-Z28/Z98探頭與UUT之間的失配不確定度可以進(jìn)一步減小。反射系數(shù):對測試結(jié)果有影響，有反射存在時，功率計(jì)測量的功率值與發(fā)射功率并不相等，此時存在反射功率P。

圖7. 反射系數(shù):對測量結(jié)果的影響

: 描述復(fù)數(shù)阻抗輸入端反射波的幅度和相位。負(fù)載端的反射系數(shù)用:L描述，信號源端的反射系數(shù)用:G描述，則入射功率Pi與發(fā)射功率PGZ0之間的關(guān)系如下，

用描述反射系數(shù)的幅度，這樣入射功率與信號源發(fā)射功率之間滿足如下關(guān)系式，該關(guān)系式就代表了輸入功率的不確定度。

如果要對反射特性進(jìn)行修正，則必須知道源和負(fù)載的反射系數(shù)，探頭端的反射系數(shù)由探頭自身給出，信號源的反射系數(shù)可以用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量S11參數(shù)得到，伽馬修正的實(shí)現(xiàn)原理如圖8所示。

圖8. NRP功率計(jì)伽馬修正的實(shí)現(xiàn)

如果在NRP-Z28/Z98探頭與UUT之間還存在轉(zhuǎn)接頭、衰減器或其它連接電纜等二端口網(wǎng)絡(luò)，還可以用去嵌入方式實(shí)現(xiàn)S參數(shù)修正，其修正原理如圖9所示，該二端口網(wǎng)絡(luò)的4個S參數(shù)可以用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量得到一個S2P文件來描述，再通過USB接口把S2P文件下載到探頭中，完成測試結(jié)果的S參數(shù)修正。

圖9. NRP功率計(jì)S參數(shù)修正的實(shí)現(xiàn)

與普通的NRP終端式功率探頭類似，NRP-Z28/Z98系列電平控制探頭的S參數(shù)修正的實(shí)現(xiàn)如圖10所示。通過把二端口網(wǎng)絡(luò)的四個S參數(shù)存儲在S2P文件里，再通過USB接口下載到探頭內(nèi)即可自動完成修正，可以實(shí)現(xiàn)更精確的功率調(diào)節(jié)與測量，減小了測量不確定度。

圖10. NRP-Z28/98探頭S參數(shù)修正的實(shí)現(xiàn)

參考文獻(xiàn)：

1. R&S?NRP-Z28/Z98 Level Control Sensor Technical Information， ROHDE & SCHWARZ.

2. R&S?NRP-Z28/Z98 Level Control Sensor User Manual， ROHDE & SCHWARZ.

3. Program for Measurement Uncertainty Analysis with Rohde & Schwarz Power Meters.

Application Notes， 1GP43， ROHDE & SCHWARZ.