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技術(shù)文章
Bird 43/5012射頻通過式功率計的應用
2014-11-18
自從無線電發(fā)射機問世以來，發(fā)射機輸出功率的測量就成為了射頻工程師的關(guān)注點。在本文中，簡要介紹了通過式功率計和終端式功率計的應用場合；重點介紹了 BIRD公司的 5012 B 數(shù)字通過式功率計在移動通信工程中的應用
Bird 43/5012射頻通過式功率計的應用
1 內(nèi)容簡介
自從無線電發(fā)射機問世以來，發(fā)射機輸出功率的測量就成為了射頻工程師的關(guān)注點。在本文中，簡要介紹了通過式功率計和終端式功率計的應用場合；重點介紹了 BIRD公司的 5012 B 數(shù)字通過式功率計在移動通信工程中的應用。
2 通過式功率計的歷史
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®，從此，通過式功率測量法成為射頻功率測量的工業(yè)標準一直至今。通過式功率測量法的原理如下：
通過式射頻功率計的典型代表產(chǎn)品是 BIRD 公司的 43 型（見圖 2），它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，半波二極管檢測波電路（見圖 1），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。
由于傳統(tǒng)的通過式功率計采用了線性二極管作為檢波器件，其動態(tài)范圍一般為 7dB 左右；同時也無法準確測量現(xiàn)代通信中高峰/均功率比調(diào)制信號的射頻功率。通過式功率計演變至今，已經(jīng)在寬帶、高峰/均功率比測量方面有了很大的進步。如 BIRD
公司的新產(chǎn)品 5012B（見圖 3）通過式功率計具有*大 10MHz 的視頻帶寬，30dB 的動態(tài)范圍和 12dB 的峰/均功率比的測量能力；而且可以測量射頻信號的平均功率、峰值功率、突發(fā)功率、峰/均功率比和 CCDF 參數(shù)。即使是象 WCDMA 這樣的大動態(tài)范圍的寬帶調(diào)制的射頻信號，5012B 也完全可以對其功率特性進行完全的分析。
3 用通過式功率計還是終端式功率計？
與終端式功率計不同的是，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準的 50Ω。在功率測量中，終端式功率計替代了發(fā)射機的負載，也就是說，終端式功率計將發(fā)射機的負載理想化了（見圖 4）。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。
終端式功率計適合于實驗室應用。
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）。
通過式功率計適合現(xiàn)場應用。
5012B 配合天饋線分析儀測量發(fā)射機天饋線系統(tǒng)
對于無線電運營商/工程商及制造商，通過式功率測量法是很有意義的，用 BIRD5012B功率計和 SA 系列天線分析儀配合，可以準確測量從發(fā)射機輸出端到天線輸入端的所有射頻指標，見圖 5。
SA 系列天線分析儀是一臺單端口網(wǎng)絡分析儀，同時還可以作為 5012B 的顯示單元。將SA 接在圖 5 中的④端替代發(fā)射機，可以測量天饋系統(tǒng)輸入端的 S11 參數(shù)，對整個系統(tǒng)進行故障定位（DTF），還可以單端測量天饋系統(tǒng)的 S21 參數(shù)。而將 5012B 串在位置④——發(fā)射機的輸出端，可以核準發(fā)射機的輸出功率是否在設(shè)計的范圍內(nèi)；準確測量基站的輸出和反射的平均功率，峰值功率，突發(fā)功率，峰均功率比（峰值因子）和互補積累分布函數(shù)（CCDF）。這是無線電設(shè)備研發(fā)和維護工程師所關(guān)心的。位置③——天線的輸入端，可以確定發(fā)射機真正輻射到空間的信號究竟有多大；這是網(wǎng)絡規(guī)劃和優(yōu)化工程師所關(guān)心的。位置②——可以檢查發(fā)射系統(tǒng)在某個位置的匹配情況，這是設(shè)備維護工程師所關(guān)心的。表 1 和表 2 分別是 5012B 功率計在 WCDMA 基站和 GSM900 基站的實測結(jié)果：
表 1、WCDMA 基站實測結(jié)果
表 2、GSM900 基站實測結(jié)果
除了正常的正向和反射測量以外，從上述測試結(jié)果我們還可以看出WCDMA信號的峰值因子要遠遠大于GSM信號，這個值可以反映放大器的線性，關(guān)于這一點，將在后面再加敘述。
4 測量無源器件的插入損耗
用二臺功率計可以十分準確的測出一個無源器件的插入損耗，其精度和網(wǎng)絡分析儀的測試結(jié)果相當（見圖6）。
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Nm-Nm）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確插入損耗值。詳情參見《用功率計測量插入損耗》一文（文件號：03TF-001-v1.0-AN）。
用這種方法可以準確的測出一個蜂窩基站從發(fā)射輸出到天線輸入的全部插入損耗，這對于基站的維護是有益的。雖然用網(wǎng)絡分析儀也可以單端測量長電纜的插入損耗，但是網(wǎng)絡分析儀必須在同一種介質(zhì)下測量，而且要準確設(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）一并當作一個二端口網(wǎng)絡來對待。
5 配合 AIM 系列放大器測量裝置測量功率放大器的特性
AIM 系列放大器測試裝置是一種射頻測量子系統(tǒng)，配合 5012B 和頻譜分析儀，可以測量放大器的互調(diào)失真，功率，增益等指標（見圖 7）。
圖 8 表示了 5012B 和 AIM 的配合測量過程。
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而不是效率指標，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。
6 測量功率放大器的峰值因子（峰均功率比）
和白噪聲一樣，放大器的平均功率只是其重要參數(shù)之一。鑒于多載頻和數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的統(tǒng)計特性，峰值/平均值功率比是十分重要的參數(shù)（見表1和表2）。例如，8-VSB的數(shù)字調(diào)制信號的峰均功率比通常為6dB，而CDMA調(diào)制信號則可高達10dB；如此高的峰值功率可能會導致放大器的飽和，這將造成數(shù)字信號的誤碼，所以正確測量放大器的峰均功率比對于放大器的研制和生產(chǎn)有著重要意義。
Bird 43/5012射頻通過式功率計的應用
1 內(nèi)容簡介
自從無線電發(fā)射機問世以來，發(fā)射機輸出功率的測量就成為了射頻工程師的關(guān)注點。在本文中，簡要介紹了通過式功率計和終端式功率計的應用場合；重點介紹了 BIRD公司的 5012 B 數(shù)字通過式功率計在移動通信工程中的應用。
2 通過式功率計的歷史
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®，從此，通過式功率測量法成為射頻功率測量的工業(yè)標準一直至今。通過式功率測量法的原理如下：
通過式射頻功率計的典型代表產(chǎn)品是 BIRD 公司的 43 型（見圖 2），它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，半波二極管檢測波電路（見圖 1），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。
由于傳統(tǒng)的通過式功率計采用了線性二極管作為檢波器件，其動態(tài)范圍一般為 7dB 左右；同時也無法準確測量現(xiàn)代通信中高峰/均功率比調(diào)制信號的射頻功率。通過式功率計演變至今，已經(jīng)在寬帶、高峰/均功率比測量方面有了很大的進步。如 BIRD
公司的新產(chǎn)品 5012B（見圖 3）通過式功率計具有*大 10MHz 的視頻帶寬，30dB 的動態(tài)范圍和 12dB 的峰/均功率比的測量能力；而且可以測量射頻信號的平均功率、峰值功率、突發(fā)功率、峰/均功率比和 CCDF 參數(shù)。即使是象 WCDMA 這樣的大動態(tài)范圍的寬帶調(diào)制的射頻信號，5012B 也完全可以對其功率特性進行完全的分析。
3 用通過式功率計還是終端式功率計？
與終端式功率計不同的是，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準的 50Ω。在功率測量中，終端式功率計替代了發(fā)射機的負載，也就是說，終端式功率計將發(fā)射機的負載理想化了（見圖 4）。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。
終端式功率計適合于實驗室應用。
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）。
通過式功率計適合現(xiàn)場應用。
5012B 配合天饋線分析儀測量發(fā)射機天饋線系統(tǒng)
對于無線電運營商/工程商及制造商，通過式功率測量法是很有意義的，用 BIRD5012B功率計和 SA 系列天線分析儀配合，可以準確測量從發(fā)射機輸出端到天線輸入端的所有射頻指標，見圖 5。
SA 系列天線分析儀是一臺單端口網(wǎng)絡分析儀，同時還可以作為 5012B 的顯示單元。將SA 接在圖 5 中的④端替代發(fā)射機，可以測量天饋系統(tǒng)輸入端的 S11 參數(shù)，對整個系統(tǒng)進行故障定位（DTF），還可以單端測量天饋系統(tǒng)的 S21 參數(shù)。而將 5012B 串在位置④——發(fā)射機的輸出端，可以核準發(fā)射機的輸出功率是否在設(shè)計的范圍內(nèi)；準確測量基站的輸出和反射的平均功率，峰值功率，突發(fā)功率，峰均功率比（峰值因子）和互補積累分布函數(shù)（CCDF）。這是無線電設(shè)備研發(fā)和維護工程師所關(guān)心的。位置③——天線的輸入端，可以確定發(fā)射機真正輻射到空間的信號究竟有多大；這是網(wǎng)絡規(guī)劃和優(yōu)化工程師所關(guān)心的。位置②——可以檢查發(fā)射系統(tǒng)在某個位置的匹配情況，這是設(shè)備維護工程師所關(guān)心的。表 1 和表 2 分別是 5012B 功率計在 WCDMA 基站和 GSM900 基站的實測結(jié)果：
表 1、WCDMA 基站實測結(jié)果
| 測試指標 | 5012B + 5000XT | |
| 平均功率 | 正向（W/dBm）： | 2.08/33.2 |
| 反射（mW/dBm）： | 23/13.6 | |
| 駐波比： | 1.28 | |
| 回波損耗（dBm）： | -18.08 | |
| 峰值功率 | 42.8 dBm | |
| 峰值因子 | 10.1dB | |
| CCDF | 門限值設(shè) 2 W 時： | 3% |
| 門限值設(shè) 3 W 時： | 1.45% | |
| 門限值設(shè) 5 W 時： | 0 | |
表 2、GSM900 基站實測結(jié)果
| 測試指標 | 5012B + 5000XT | |
| 平均功率 | 正向（W/dBm）： | 9.66/39.85 |
| 反射（mW/dBm）： | 50.11/17 | |
| 駐波比： | 1.15 | |
| 回波損耗（dBm）： | -22.7 | |
| 突發(fā)功率 | 40.5 dBm | |
| 峰值功率 | 40.6 dBm | |
| 峰值因子 | 0.25dB | |
| CCDF | 門限值設(shè) 9 W 時： | 0% |
| 門限值設(shè) 8 W 時： | 3.4% | |
| 門限值設(shè) 5 W 時： | 84.5% | |
除了正常的正向和反射測量以外，從上述測試結(jié)果我們還可以看出WCDMA信號的峰值因子要遠遠大于GSM信號，這個值可以反映放大器的線性，關(guān)于這一點，將在后面再加敘述。
4 測量無源器件的插入損耗
用二臺功率計可以十分準確的測出一個無源器件的插入損耗，其精度和網(wǎng)絡分析儀的測試結(jié)果相當（見圖6）。
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Nm-Nm）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確插入損耗值。詳情參見《用功率計測量插入損耗》一文（文件號：03TF-001-v1.0-AN）。
用這種方法可以準確的測出一個蜂窩基站從發(fā)射輸出到天線輸入的全部插入損耗，這對于基站的維護是有益的。雖然用網(wǎng)絡分析儀也可以單端測量長電纜的插入損耗，但是網(wǎng)絡分析儀必須在同一種介質(zhì)下測量，而且要準確設(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）一并當作一個二端口網(wǎng)絡來對待。
5 配合 AIM 系列放大器測量裝置測量功率放大器的特性
AIM 系列放大器測試裝置是一種射頻測量子系統(tǒng)，配合 5012B 和頻譜分析儀，可以測量放大器的互調(diào)失真，功率，增益等指標（見圖 7）。
圖 8 表示了 5012B 和 AIM 的配合測量過程。
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而不是效率指標，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。
6 測量功率放大器的峰值因子（峰均功率比）
和白噪聲一樣，放大器的平均功率只是其重要參數(shù)之一。鑒于多載頻和數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的統(tǒng)計特性，峰值/平均值功率比是十分重要的參數(shù)（見表1和表2）。例如，8-VSB的數(shù)字調(diào)制信號的峰均功率比通常為6dB，而CDMA調(diào)制信號則可高達10dB；如此高的峰值功率可能會導致放大器的飽和，這將造成數(shù)字信號的誤碼，所以正確測量放大器的峰均功率比對于放大器的研制和生產(chǎn)有著重要意義。
Bird 43/5012射頻通過式功率計的應用
