關(guān)于智能功率探頭的分析和介紹

在無線電測(cè)量領(lǐng)域，功率測(cè)量是一項(xiàng)非常重要的基本測(cè)量參數(shù)。R&S公司推出的新型功率探頭不但能夠更準(zhǔn)更快的進(jìn)行功率測(cè)量，還能夠提供更高的動(dòng)態(tài)范圍，更靈活的連接方式。針對(duì)某些需要通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)“真正”遠(yuǎn)程測(cè)量的需求，R&S也提供了自己獨(dú)有的測(cè)量方案。

1. 引言

長久以來，功率計(jì)一直是無線信號(hào)功率測(cè)量的重要工具。功率計(jì)通常由兩部分組成，分別是功率探頭和功率計(jì)主機(jī)。傳統(tǒng)的功率探頭主要負(fù)責(zé)把高頻無線電信號(hào)轉(zhuǎn)換可以直接檢測(cè)的電信號(hào)，而功率計(jì)主機(jī)則負(fù)責(zé)對(duì)轉(zhuǎn)換之后的電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量并顯示。

隨著科技的發(fā)展，各個(gè)公司把測(cè)量芯片內(nèi)置到功率探頭內(nèi)部，這樣功率探頭就可以自己進(jìn)行功率測(cè)量然后把測(cè)量結(jié)果傳輸給功率計(jì)主機(jī)，我們稱這樣的探頭為“智能功率探頭”，而功率計(jì)主機(jī)主要負(fù)責(zé)顯示數(shù)據(jù)。這樣的話，功率測(cè)量的主要誤差來源是來自于功率探頭，而非功率計(jì)主機(jī)，也就是說功率探頭本身的性能對(duì)功率測(cè)量的準(zhǔn)確度會(huì)起到?jīng)Q定性的影響。下面我們簡(jiǎn)要介紹一下R&S推出的新型功率探頭的性能指標(biāo)以及使用方式。

2. 新型智能功率探頭NRPxxS/SN系列簡(jiǎn)介

羅德與施瓦茨公司（下文簡(jiǎn)稱R&S）以其在無線電測(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域八十余年的領(lǐng)先經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新技術(shù)，推出了新型的智能功率探頭NRPxxS系列和NRPxxSN系列，其中“S”代表智能化，“N”則代表支持網(wǎng)絡(luò)連接。該系列功率探頭不但能夠提供更準(zhǔn)更快的功率測(cè)量，還能夠提供更大的動(dòng)態(tài)范圍以及更靈活的遠(yuǎn)程測(cè)量方式。

目前市場(chǎng)上有各種不同類型的功率探頭，其中主要有熱敏電阻型、熱電偶型、檢波二極管型等。其中二極管功率探頭由于其具有速度快、動(dòng)態(tài)范圍大的優(yōu)勢(shì)，因而在通用功率測(cè)試領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文將要介紹的R&S新型功率探頭NRPxxS/SN系列功率探頭就屬于二極管功率探頭。

2.1 更準(zhǔn)更快的功率測(cè)量

R&S新型功率探頭NRPxxS/SN系列與老款探頭相比，將功率測(cè)量的下限由-67dBm擴(kuò)展到了-70dBm，這樣做的好處不僅僅是能夠測(cè)量更微弱的信號(hào)，還在于針對(duì)小信號(hào)測(cè)量能夠有效地提高測(cè)量速度。

在功率測(cè)量中，針對(duì)小信號(hào)測(cè)量，理論上增大平均次數(shù)可以有效地降低噪聲的影響，能夠保證得到更準(zhǔn)確穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果。而增大平均次數(shù)無疑會(huì)導(dǎo)致測(cè)量速度變慢，所以新型功率探頭設(shè)計(jì)了更低的噪底以提高測(cè)量速度。 理論上，當(dāng)功率探頭噪底降低50%（即降低3dB）的時(shí)候，平均次數(shù)要變?yōu)樵械乃谋恫拍軌蜻_(dá)到同樣的測(cè)量準(zhǔn)確度。

圖1中可以看到，針對(duì)-60dBm這樣的小信號(hào)，新型功率探頭想要達(dá)到0.1dB的測(cè)量準(zhǔn)確度的話，打開16次平均即可達(dá)到。如果是R&S的老款功率探頭的化，需要64次平均才可以達(dá)到0.1dB的測(cè)量準(zhǔn)確度。

圖1 新型功率探頭針對(duì)-60dBm信號(hào)的測(cè)量結(jié)果

2.2 更高的動(dòng)態(tài)范圍

R&S新型功率探頭NRPxxS/SN系列巧妙地采用了三通道的測(cè)量方式來提高動(dòng)態(tài)范圍。三個(gè)測(cè)量通道能夠提供高達(dá)93dB的動(dòng)態(tài)范圍，低至-70dBm的測(cè)量下限。這種多通道功率探頭，傳統(tǒng)的測(cè)量方式是針對(duì)不同功率大小的信號(hào)，功率探頭采用不同的通道去進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)被測(cè)信號(hào)功率有大幅度改變的時(shí)候，通道之間采用直接切換的方式，將測(cè)量通道換成下一個(gè)通道。這樣的方法可以有效的擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍，但是會(huì)產(chǎn)生額外的問題，例如滯后效應(yīng)、不同通道的線性度不一致等。

針對(duì)傳統(tǒng)多通道測(cè)量帶來的一些問題，R&S新型功率探頭采用同時(shí)測(cè)量的方式來避免這些問題。新型功率探頭在測(cè)量開啟的時(shí)候，三個(gè)通道之中的一個(gè)通道將會(huì)是主要測(cè)量通道，但同時(shí)所有的通道都會(huì)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，最終每個(gè)通道貢獻(xiàn)不同的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行合并從而得到總的測(cè)量結(jié)果，這樣可以保證在不同通道之間的平滑過渡，不會(huì)出現(xiàn)通道之間的硬切換帶來的種種問題。圖2顯示了新型功率探頭的三通道結(jié)果以及每個(gè)通道主要匹配的功率范圍。

圖2 R&S新型功率探頭三通道結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 更靈活的連接方式

前文提到，目前的功率探頭可以將測(cè)量芯片內(nèi)置到功率探頭內(nèi)部，也就是說功率探頭本身就可以完成主要的測(cè)量，在傳統(tǒng)功率測(cè)量方案中，功率計(jì)主機(jī)只是起到了顯示和控制作用。針對(duì)這種狀況，為了能夠更方便的對(duì)測(cè)量功率進(jìn)行顯示，R&S提供多種連接顯示方式。除了功率計(jì)主機(jī)，R&S公司的信號(hào)源、頻譜儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀都可以用來當(dāng)做顯示主機(jī)。甚至可以利用電腦來當(dāng)做功率計(jì)主機(jī)，這樣可以幫助用戶簡(jiǎn)化測(cè)試方案。新型功率探頭的連接方式示意圖見圖3。

圖3 R&S新型功率探頭連接方式示意圖

2.4 實(shí)現(xiàn)真正的遠(yuǎn)程測(cè)量

功率探頭有一種應(yīng)用場(chǎng)景就是遠(yuǎn)程功率監(jiān)測(cè)，針對(duì)遠(yuǎn)程功率監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的方式都會(huì)受限于探頭與主機(jī)之間的連接線的長度。為此，R&S獨(dú)創(chuàng)性的推出NRPxxSN系列功率探頭，其中“N”代表該功率探頭支持網(wǎng)絡(luò)（Network）連接方式。典型的連接方式是利用網(wǎng)線將功率探頭連接到PoE（Power over Ethernet）路由器上，這樣就可以通過PoE路由器訪問并設(shè)置功率探頭了。PoE路由器與傳統(tǒng)的路由器相比，增加了一個(gè)通過網(wǎng)絡(luò)接口供電的功能，所以功率探頭的控制和供電都是通過網(wǎng)線來實(shí)現(xiàn)的。

功率探頭利用PoE路由器連接至網(wǎng)絡(luò)之后，我們可以利用聯(lián)網(wǎng)的電腦來對(duì)功率探頭進(jìn)行控制，并讀取測(cè)量結(jié)果。所有針對(duì)探頭的控制都可以在網(wǎng)頁瀏覽器中實(shí)現(xiàn)，無需安裝額外的控制軟件。NRPxxSN系列功率探頭的遠(yuǎn)程連接示意圖如圖4所示。

圖4 NRPxxSN系列功率探頭的遠(yuǎn)程連接示意圖

3. 小結(jié)

本文首先介紹了功率測(cè)量的基本方法，然后重點(diǎn)介紹了R&S公司新型功率探頭所采用的一些新技術(shù)，以及這些新技術(shù)能夠給我們帶來的好處。其中準(zhǔn)確度、速度、動(dòng)態(tài)范圍的提升讓我們看到功率探頭在基本測(cè)量性能上的改善，而多樣的連接方式和遠(yuǎn)程測(cè)量方案則給我們提供了更加多樣化的使用方法，可以應(yīng)對(duì)更多特殊的應(yīng)用場(chǎng)景。