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技術(shù)文章
Bird 43/5012射頻通過式功率計(jì)的應(yīng)用
2014-11-18
自從無線電發(fā)射機(jī)問世以來，發(fā)射機(jī)輸出功率的測(cè)量就成為了射頻工程師的關(guān)注點(diǎn)。在本文中，簡(jiǎn)要介紹了通過式功率計(jì)和終端式功率計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)合；重點(diǎn)介紹了 BIRD公司的 5012 B 數(shù)字通過式功率計(jì)在移動(dòng)通信工程中的應(yīng)用
Bird 43/5012射頻通過式功率計(jì)的應(yīng)用
1 內(nèi)容簡(jiǎn)介
自從無線電發(fā)射機(jī)問世以來，發(fā)射機(jī)輸出功率的測(cè)量就成為了射頻工程師的關(guān)注點(diǎn)。在本文中，簡(jiǎn)要介紹了通過式功率計(jì)和終端式功率計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)合；重點(diǎn)介紹了 BIRD公司的 5012 B 數(shù)字通過式功率計(jì)在移動(dòng)通信工程中的應(yīng)用。
2 通過式功率計(jì)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(jì)原理——Thruline®，從此，通過式功率測(cè)量法成為射頻功率測(cè)量的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一直至今。通過式功率測(cè)量法的原理如下：
通過式射頻功率計(jì)的典型代表產(chǎn)品是 BIRD 公司的 43 型（見圖 2），它實(shí)際上是一種信號(hào)激勵(lì)裝置，采用了一個(gè)無源的二極管射頻傳感器。在同軸線的一側(cè)裝有一個(gè)定向的，半波二極管檢測(cè)波電路（見圖 1），并將其接到一個(gè)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(jì)采用了線性二極管作為檢波器件，其動(dòng)態(tài)范圍一般為 7dB 左右；同時(shí)也無法準(zhǔn)確測(cè)量現(xiàn)代通信中高峰/均功率比調(diào)制信號(hào)的射頻功率。通過式功率計(jì)演變至今，已經(jīng)在寬帶、高峰/均功率比測(cè)量方面有了很大的進(jìn)步。如 BIRD
公司的新產(chǎn)品 5012B（見圖 3）通過式功率計(jì)具有*大 10MHz 的視頻帶寬，30dB 的動(dòng)態(tài)范圍和 12dB 的峰/均功率比的測(cè)量能力；而且可以測(cè)量射頻信號(hào)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(dòng)態(tài)范圍的寬帶調(diào)制的射頻信號(hào)，5012B 也完全可以對(duì)其功率特性進(jìn)行完全的分析。
3 用通過式功率計(jì)還是終端式功率計(jì)？
與終端式功率計(jì)不同的是，通過式功率計(jì)真實(shí)的反映了一個(gè)發(fā)射系統(tǒng)中各個(gè)截面的正向功率和反射功率。終端式功率計(jì)的輸入阻抗是標(biāo)準(zhǔn)的 50Ω。在功率測(cè)量中，終端式功率計(jì)替代了發(fā)射機(jī)的負(fù)載，也就是說，終端式功率計(jì)將發(fā)射機(jī)的負(fù)載理想化了（見圖 4）。所以說，終端式功率計(jì)所測(cè)得的結(jié)果是發(fā)射機(jī)在理想負(fù)載時(shí)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(gè)結(jié)果可以真實(shí)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(jì)不能真實(shí)反映發(fā)射系統(tǒng)的情況。
終端式功率計(jì)適合于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。
而通過式功率計(jì)則不同，它實(shí)際上是在傳輸線一側(cè)放置了一個(gè)耦合探頭，與發(fā)射機(jī)的工作波長(zhǎng)相比，功率計(jì)傳感器的電長(zhǎng)度幾乎可以忽略不計(jì)。所以只要將通過式功率計(jì)置于發(fā)射系統(tǒng)的某個(gè)截面，那么得出的結(jié)果是這個(gè)截面的正向和反射功率（VSWR）。
通過式功率計(jì)適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。
5012B 配合天饋線分析儀測(cè)量發(fā)射機(jī)天饋線系統(tǒng)
對(duì)于無線電運(yùn)營(yíng)商/工程商及制造商，通過式功率測(cè)量法是很有意義的，用 BIRD5012B功率計(jì)和 SA 系列天線分析儀配合，可以準(zhǔn)確測(cè)量從發(fā)射機(jī)輸出端到天線輸入端的所有射頻指標(biāo)，見圖 5。
SA 系列天線分析儀是一臺(tái)單端口網(wǎng)絡(luò)分析儀，同時(shí)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(jī)，可以測(cè)量天饋系統(tǒng)輸入端的 S11 參數(shù)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行故障定位（DTF），還可以單端測(cè)量天饋系統(tǒng)的 S21 參數(shù)。而將 5012B 串在位置④——發(fā)射機(jī)的輸出端，可以核準(zhǔn)發(fā)射機(jī)的輸出功率是否在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)；準(zhǔn)確測(cè)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(bǔ)積累分布函數(shù)（CCDF）。這是無線電設(shè)備研發(fā)和維護(hù)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(jī)真正輻射到空間的信號(hào)究竟有多大；這是網(wǎng)絡(luò)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(gè)位置的匹配情況，這是設(shè)備維護(hù)工程師所關(guān)心的。表 1 和表 2 分別是 5012B 功率計(jì)在 WCDMA 基站和 GSM900 基站的實(shí)測(cè)結(jié)果：
表 1、WCDMA 基站實(shí)測(cè)結(jié)果
表 2、GSM900 基站實(shí)測(cè)結(jié)果
除了正常的正向和反射測(cè)量以外，從上述測(cè)試結(jié)果我們還可以看出WCDMA信號(hào)的峰值因子要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于GSM信號(hào)，這個(gè)值可以反映放大器的線性，關(guān)于這一點(diǎn)，將在后面再加敘述。
4 測(cè)量無源器件的插入損耗
用二臺(tái)功率計(jì)可以十分準(zhǔn)確的測(cè)出一個(gè)無源器件的插入損耗，其精度和網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試結(jié)果相當(dāng)（見圖6）。
這種測(cè)量方法的基本原理是替代法。即先將二臺(tái)功率計(jì)用一只精密的射頻轉(zhuǎn)接器（如Nm-Nm）直接連接，再用被測(cè)器件替代射頻轉(zhuǎn)接器，分別讀出4個(gè)功率讀數(shù)，從而計(jì)算出被測(cè)器件的準(zhǔn)確插入損耗值。詳情參見《用功率計(jì)測(cè)量插入損耗》一文（文件號(hào)：03TF-001-v1.0-AN）。
用這種方法可以準(zhǔn)確的測(cè)出一個(gè)蜂窩基站從發(fā)射輸出到天線輸入的全部插入損耗，這對(duì)于基站的維護(hù)是有益的。雖然用網(wǎng)絡(luò)分析儀也可以單端測(cè)量長(zhǎng)電纜的插入損耗，但是網(wǎng)絡(luò)分析儀必須在同一種介質(zhì)下測(cè)量，而且要準(zhǔn)確設(shè)定電纜的相速度，否則會(huì)產(chǎn)生附加的測(cè)試誤差；而用功率計(jì)法就不需要知道這些參數(shù)，它只是把整個(gè)系統(tǒng)（包括跳線、主饋線，避雷器，定向耦合器等）一并當(dāng)作一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)來對(duì)待。
5 配合 AIM 系列放大器測(cè)量裝置測(cè)量功率放大器的特性
AIM 系列放大器測(cè)試裝置是一種射頻測(cè)量子系統(tǒng)，配合 5012B 和頻譜分析儀，可以測(cè)量放大器的互調(diào)失真，功率，增益等指標(biāo)（見圖 7）。
圖 8 表示了 5012B 和 AIM 的配合測(cè)量過程。
在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)工程師們更關(guān)心放大器的線性指標(biāo)而不是效率指標(biāo)，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(hào)源和頻譜分析儀來完成。用通過式功率計(jì)也可以測(cè)量放大器的線性度，而且方法很簡(jiǎn)單：分別測(cè)出放大器輸入和輸出端的互補(bǔ)積累分布函數(shù)（CCDF），這二個(gè)數(shù)值越吻合，說明放大器的線性越好。
在用功率計(jì)法測(cè)量放大器的線性的同時(shí)，還能測(cè)量放大器的增益和輸出功率；這對(duì)于生產(chǎn)線上的快速測(cè)試十分有意義。另外放大器的線性度直接影響到發(fā)射機(jī)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(diǎn)。
6 測(cè)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(jì)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(hào)的峰均功率比通常為6dB，而CDMA調(diào)制信號(hào)則可高達(dá)10dB；如此高的峰值功率可能會(huì)導(dǎo)致放大器的飽和，這將造成數(shù)字信號(hào)的誤碼，所以正確測(cè)量放大器的峰均功率比對(duì)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(jì)的應(yīng)用
1 內(nèi)容簡(jiǎn)介
自從無線電發(fā)射機(jī)問世以來，發(fā)射機(jī)輸出功率的測(cè)量就成為了射頻工程師的關(guān)注點(diǎn)。在本文中，簡(jiǎn)要介紹了通過式功率計(jì)和終端式功率計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)合；重點(diǎn)介紹了 BIRD公司的 5012 B 數(shù)字通過式功率計(jì)在移動(dòng)通信工程中的應(yīng)用。
2 通過式功率計(jì)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(jì)原理——Thruline®，從此，通過式功率測(cè)量法成為射頻功率測(cè)量的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一直至今。通過式功率測(cè)量法的原理如下：
通過式射頻功率計(jì)的典型代表產(chǎn)品是 BIRD 公司的 43 型（見圖 2），它實(shí)際上是一種信號(hào)激勵(lì)裝置，采用了一個(gè)無源的二極管射頻傳感器。在同軸線的一側(cè)裝有一個(gè)定向的，半波二極管檢測(cè)波電路（見圖 1），并將其接到一個(gè)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(jì)采用了線性二極管作為檢波器件，其動(dòng)態(tài)范圍一般為 7dB 左右；同時(shí)也無法準(zhǔn)確測(cè)量現(xiàn)代通信中高峰/均功率比調(diào)制信號(hào)的射頻功率。通過式功率計(jì)演變至今，已經(jīng)在寬帶、高峰/均功率比測(cè)量方面有了很大的進(jìn)步。如 BIRD
公司的新產(chǎn)品 5012B（見圖 3）通過式功率計(jì)具有*大 10MHz 的視頻帶寬，30dB 的動(dòng)態(tài)范圍和 12dB 的峰/均功率比的測(cè)量能力；而且可以測(cè)量射頻信號(hào)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(dòng)態(tài)范圍的寬帶調(diào)制的射頻信號(hào)，5012B 也完全可以對(duì)其功率特性進(jìn)行完全的分析。
3 用通過式功率計(jì)還是終端式功率計(jì)？
與終端式功率計(jì)不同的是，通過式功率計(jì)真實(shí)的反映了一個(gè)發(fā)射系統(tǒng)中各個(gè)截面的正向功率和反射功率。終端式功率計(jì)的輸入阻抗是標(biāo)準(zhǔn)的 50Ω。在功率測(cè)量中，終端式功率計(jì)替代了發(fā)射機(jī)的負(fù)載，也就是說，終端式功率計(jì)將發(fā)射機(jī)的負(fù)載理想化了（見圖 4）。所以說，終端式功率計(jì)所測(cè)得的結(jié)果是發(fā)射機(jī)在理想負(fù)載時(shí)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(gè)結(jié)果可以真實(shí)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(jì)不能真實(shí)反映發(fā)射系統(tǒng)的情況。
終端式功率計(jì)適合于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。
而通過式功率計(jì)則不同，它實(shí)際上是在傳輸線一側(cè)放置了一個(gè)耦合探頭，與發(fā)射機(jī)的工作波長(zhǎng)相比，功率計(jì)傳感器的電長(zhǎng)度幾乎可以忽略不計(jì)。所以只要將通過式功率計(jì)置于發(fā)射系統(tǒng)的某個(gè)截面，那么得出的結(jié)果是這個(gè)截面的正向和反射功率（VSWR）。
通過式功率計(jì)適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。
5012B 配合天饋線分析儀測(cè)量發(fā)射機(jī)天饋線系統(tǒng)
對(duì)于無線電運(yùn)營(yíng)商/工程商及制造商，通過式功率測(cè)量法是很有意義的，用 BIRD5012B功率計(jì)和 SA 系列天線分析儀配合，可以準(zhǔn)確測(cè)量從發(fā)射機(jī)輸出端到天線輸入端的所有射頻指標(biāo)，見圖 5。
SA 系列天線分析儀是一臺(tái)單端口網(wǎng)絡(luò)分析儀，同時(shí)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(jī)，可以測(cè)量天饋系統(tǒng)輸入端的 S11 參數(shù)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行故障定位（DTF），還可以單端測(cè)量天饋系統(tǒng)的 S21 參數(shù)。而將 5012B 串在位置④——發(fā)射機(jī)的輸出端，可以核準(zhǔn)發(fā)射機(jī)的輸出功率是否在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)；準(zhǔn)確測(cè)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(bǔ)積累分布函數(shù)（CCDF）。這是無線電設(shè)備研發(fā)和維護(hù)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(jī)真正輻射到空間的信號(hào)究竟有多大；這是網(wǎng)絡(luò)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(gè)位置的匹配情況，這是設(shè)備維護(hù)工程師所關(guān)心的。表 1 和表 2 分別是 5012B 功率計(jì)在 WCDMA 基站和 GSM900 基站的實(shí)測(cè)結(jié)果：
表 1、WCDMA 基站實(shí)測(cè)結(jié)果
| 測(cè)試指標(biāo) | 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(shí)： | 3% |
| 門限值設(shè) 3 W 時(shí)： | 1.45% | |
| 門限值設(shè) 5 W 時(shí)： | 0 | |
表 2、GSM900 基站實(shí)測(cè)結(jié)果
| 測(cè)試指標(biāo) | 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(shí)： | 0% |
| 門限值設(shè) 8 W 時(shí)： | 3.4% | |
| 門限值設(shè) 5 W 時(shí)： | 84.5% | |
除了正常的正向和反射測(cè)量以外，從上述測(cè)試結(jié)果我們還可以看出WCDMA信號(hào)的峰值因子要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于GSM信號(hào)，這個(gè)值可以反映放大器的線性，關(guān)于這一點(diǎn)，將在后面再加敘述。
4 測(cè)量無源器件的插入損耗
用二臺(tái)功率計(jì)可以十分準(zhǔn)確的測(cè)出一個(gè)無源器件的插入損耗，其精度和網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試結(jié)果相當(dāng)（見圖6）。
這種測(cè)量方法的基本原理是替代法。即先將二臺(tái)功率計(jì)用一只精密的射頻轉(zhuǎn)接器（如Nm-Nm）直接連接，再用被測(cè)器件替代射頻轉(zhuǎn)接器，分別讀出4個(gè)功率讀數(shù)，從而計(jì)算出被測(cè)器件的準(zhǔn)確插入損耗值。詳情參見《用功率計(jì)測(cè)量插入損耗》一文（文件號(hào)：03TF-001-v1.0-AN）。
用這種方法可以準(zhǔn)確的測(cè)出一個(gè)蜂窩基站從發(fā)射輸出到天線輸入的全部插入損耗，這對(duì)于基站的維護(hù)是有益的。雖然用網(wǎng)絡(luò)分析儀也可以單端測(cè)量長(zhǎng)電纜的插入損耗，但是網(wǎng)絡(luò)分析儀必須在同一種介質(zhì)下測(cè)量，而且要準(zhǔn)確設(shè)定電纜的相速度，否則會(huì)產(chǎn)生附加的測(cè)試誤差；而用功率計(jì)法就不需要知道這些參數(shù)，它只是把整個(gè)系統(tǒng)（包括跳線、主饋線，避雷器，定向耦合器等）一并當(dāng)作一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)來對(duì)待。
5 配合 AIM 系列放大器測(cè)量裝置測(cè)量功率放大器的特性
AIM 系列放大器測(cè)試裝置是一種射頻測(cè)量子系統(tǒng)，配合 5012B 和頻譜分析儀，可以測(cè)量放大器的互調(diào)失真，功率，增益等指標(biāo)（見圖 7）。
圖 8 表示了 5012B 和 AIM 的配合測(cè)量過程。
在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)工程師們更關(guān)心放大器的線性指標(biāo)而不是效率指標(biāo)，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(hào)源和頻譜分析儀來完成。用通過式功率計(jì)也可以測(cè)量放大器的線性度，而且方法很簡(jiǎn)單：分別測(cè)出放大器輸入和輸出端的互補(bǔ)積累分布函數(shù)（CCDF），這二個(gè)數(shù)值越吻合，說明放大器的線性越好。
在用功率計(jì)法測(cè)量放大器的線性的同時(shí)，還能測(cè)量放大器的增益和輸出功率；這對(duì)于生產(chǎn)線上的快速測(cè)試十分有意義。另外放大器的線性度直接影響到發(fā)射機(jī)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(diǎn)。
6 測(cè)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(jì)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(hào)的峰均功率比通常為6dB，而CDMA調(diào)制信號(hào)則可高達(dá)10dB；如此高的峰值功率可能會(huì)導(dǎo)致放大器的飽和，這將造成數(shù)字信號(hào)的誤碼，所以正確測(cè)量放大器的峰均功率比對(duì)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(jì)的應(yīng)用
