更準(zhǔn)、更快的智能功率探頭

王立春 羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

羅德與施瓦茨技術(shù)專欄

更準(zhǔn)、更快的智能功率探頭

王立春 羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

編者按：隨著科技的發(fā)展，各個公司把測量芯片內(nèi)置到功率探頭內(nèi)部，這樣功率探頭就可以自己進(jìn)行功率測量然后把測量結(jié)果傳輸給功率計主機(jī)，我們稱這樣的探頭為“智能功率探頭”，而功率計主機(jī)主要負(fù)責(zé)顯示數(shù)據(jù)。這樣的話，功率測量的主要誤差來源是來自于功率探頭，而非功率計主機(jī)，也就是說功率探頭本身的性能對功率測量的準(zhǔn)確度會起到?jīng)Q定性的影響。羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司王立春所撰《更準(zhǔn)、更快的智能功率探頭》一文首先介紹了功率測量的基本方法，然后重點介紹了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、動態(tài)范圍的提升讓我們看到功率探頭在基本測量性能上的改善，而多樣的連接方式和遠(yuǎn)程測量方案則給我們提供了更加多樣化的使用方法，可以應(yīng)對更多特殊的應(yīng)用場景。

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

功率探頭 遠(yuǎn)程測量 功率計

1 引言

長久以來，功率計一直是無線信號功率測量的重要工具。功率計通常由兩部分組成，即功率探頭和功率計主機(jī)。傳統(tǒng)的功率探頭主要負(fù)責(zé)把高頻無線電信號轉(zhuǎn)換成可以直接檢測的電信號，而功率計主機(jī)則負(fù)責(zé)對轉(zhuǎn)換之后的電信號進(jìn)行測量并顯示。

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

2 新型智能功率探頭NRPxxS/SN系列簡介

羅德與施瓦茨公司以其在無線電測試與測量領(lǐng)域80余年的領(lǐng)先經(jīng)驗和創(chuàng)新技術(shù)，推出了新型的智能功率探頭NRPxxS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)、更快的功率測量，還能夠提供更大的動態(tài)范圍以及更靈活的遠(yuǎn)程測量方式。

目前，市場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、動態(tài)范圍大的優(yōu)勢，因而在通用功率測試領(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)、更快的功率測量

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

在功率測量中，針對小信號測量，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)定的測量結(jié)果。而增大平均次數(shù)無疑會導(dǎo)致測量速度變慢，所以新型功率探頭設(shè)計了更低的噪底以提高測量速度。理論上，當(dāng)功率探頭噪底降低50%（即降低3dB）的時候，平均次數(shù)要變?yōu)樵械?倍才能夠達(dá)到同樣的測量準(zhǔn)確度。

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

2.2 更高的動態(tài)范圍

R&S新型功率探頭NRPxxS/SN系列巧妙地采用了3通道的測量方式來提高動態(tài)范圍。3個測量通道能夠提供高達(dá)93dB的動態(tài)范圍，低至-70dBm的測量下限。這種多通道功率探頭，傳統(tǒng)的測量方式是針對不同功率大小的信號，功率探頭采用不同的通道去進(jìn)行測量，當(dāng)被測信號功率有大幅度改變的時候，通道之間采用直接切換的方式，將測量通道換成下一個通道。這樣的方法可以有效地擴(kuò)展動態(tài)范圍，但是會產(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。

針對傳統(tǒng)多通道測量帶來的一些問題，R&S新型功率探頭采用同時測量的方式來避免這些問題。新型功率探頭在測量開啟的時候，3個通道之中的一個通道將會是主要測量通道，但同時所有的通道都會進(jìn)行連續(xù)測量，最終每個通道貢獻(xiàn)不同的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行合并從而得到總的測量結(jié)果，這樣可以保證在不同通道之間的平滑過渡，不會出現(xiàn)通道之間硬切換帶來的種種問題。圖2顯示了新型功率探頭的3通道結(jié)果以及每個通道主要匹配的功率范圍。

2.3 更靈活的連接方式

圖1 新型功率探頭針對-60dBm信號的測量結(jié)果

圖2 R&S新型功率探頭3通道結(jié)構(gòu)示意圖

目前的功率探頭可以將測量芯片內(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量。在傳統(tǒng)功率測量方案中，功率計主機(jī)只是起到了顯示和控制作用。針對這種狀況，為了能夠更方便地對測量功率進(jìn)行顯示，R&S提供多種連接顯示方式。除了功率計主機(jī)，R&S公司的信號源、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)做功率計主機(jī)，這樣可以幫助用戶簡化測試方案。圖3為新型功率探頭的連接方式示意圖。

2.4 實現(xiàn)真正的遠(yuǎn)程測量

功率探頭有一種應(yīng)用場景就是遠(yuǎn)程功率監(jiān)測，針對遠(yuǎn)程功率監(jiān)測，傳統(tǒng)的方式都會受限于探頭與主機(jī)之間的連接線的長度。為此，R&S獨創(chuàng)性地推出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（PoweroverEthernet）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)線來實現(xiàn)的。

圖3 R&S新型功率探頭連接方式示意圖

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

3 結(jié)束語

本文首先介紹了功率測量的基本方法，然后重點介紹了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、動態(tài)范圍的提升讓我們看到功率探頭在基本測量性能上的改善，而多樣的連接方式和遠(yuǎn)程測量方案則給我們提供了更加多樣化的使用方法，可以應(yīng)對更多特殊的應(yīng)用場景。

圖4 NRPxxSN系列功率探頭的遠(yuǎn)程連接示意圖

羅德與施瓦茨參加“2015國防無線電&電學(xué)計量與測試學(xué)術(shù)交流會”

近日，由國家國防科技工業(yè)局科技與質(zhì)量司指導(dǎo)，國防科技工業(yè)第二計量測試研究中心、中國空間技術(shù)研究院西安分院、中國宇航學(xué)會計量與測試專業(yè)委員會、URSI中國國家委員會電磁計量專業(yè)委員會、計量與校準(zhǔn)技術(shù)重點實驗室、《宇航計測技術(shù)》編輯部主辦，國防科技工業(yè)第二計量測試研究中心和中國空間技術(shù)研究院西安分院聯(lián)合承辦的“2015國防無線電&電學(xué)計量與測試學(xué)術(shù)交流會”在陜西省西安市順利召開。

R&S公司在無線電分會場做了題為“新一代矢量信號源SMW200A的特點及應(yīng)用”的報告，介紹了第三代矢量信號源SMW200A的多通道、多基帶、多輸入、多輸出的特點，以及優(yōu)異的指標(biāo)，同時討論了SMW200A在雷達(dá)、電磁環(huán)境模擬、通信等典型國防應(yīng)用中的獨特功能。介紹得到了多名專家的好評，也得到了分會場的工程師的廣泛關(guān)注。