关于智能功率探头的分析和介绍

在无线电测量领域，功率测量是一项非常重要的基本测量参数。R&S公司推出的新型功率探头不但能够更准更快的进行功率测量，还能够提供更高的动态范围，更灵活的连接方式。针对某些需要通过网络实现“真正”远程测量的需求，R&S也提供了自己独有的测量方案。

1. 引言

长久以来，功率计一直是无线信号功率测量的重要工具。功率计通常由两部分组成，分别是功率探头和功率计主机。传统的功率探头主要负责把高频无线电信号转换可以直接检测的电信号，而功率计主机则负责对转换之后的电信号进行测量并显示。

随着科技的发展，各个公司把测量芯片内置到功率探头内部，这样功率探头就可以自己进行功率测量然后把测量结果传输给功率计主机，我们称这样的探头为“智能功率探头”，而功率计主机主要负责显示数据。这样的话，功率测量的主要误差来源是来自于功率探头，而非功率计主机，也就是说功率探头本身的性能对功率测量的准确度会起到决定性的影响。下面我们简要介绍一下R&S推出的新型功率探头的性能指标以及使用方式。

2. 新型智能功率探头NRPxxS/SN系列简介

罗德与施瓦茨公司（下文简称R&S）以其在无线电测试与测量领域八十余年的领先经验和创新技术，推出了新型的智能功率探头NRPxxS系列和NRPxxSN系列，其中“S”代表智能化，“N”则代表支持网络连接。该系列功率探头不但能够提供更准更快的功率测量，还能够提供更大的动态范围以及更灵活的远程测量方式。

目前市场上有各种不同类型的功率探头，其中主要有热敏电阻型、热电偶型、检波二极管型等。其中二极管功率探头由于其具有速度快、动态范围大的优势，因而在通用功率测试领域得到了广泛应用。本文将要介绍的R&S新型功率探头NRPxxS/SN系列功率探头就属于二极管功率探头。

2.1 更准更快的功率测量

R&S新型功率探头NRPxxS/SN系列与老款探头相比，将功率测量的下限由-67dBm扩展到了-70dBm，这样做的好处不仅仅是能够测量更微弱的信号，还在于针对小信号测量能够有效地提高测量速度。

在功率测量中，针对小信号测量，理论上增大平均次数可以有效地降低噪声的影响，能够保证得到更准确稳定的测量结果。而增大平均次数无疑会导致测量速度变慢，所以新型功率探头设计了更低的噪底以提高测量速度。 理论上，当功率探头噪底降低50%（即降低3dB）的时候，平均次数要变为原有的四倍才能够达到同样的测量准确度。

图1中可以看到，针对-60dBm这样的小信号，新型功率探头想要达到0.1dB的测量准确度的话，打开16次平均即可达到。如果是R&S的老款功率探头的化，需要64次平均才可以达到0.1dB的测量准确度。

图1 新型功率探头针对-60dBm信号的测量结果

2.2 更高的动态范围

R&S新型功率探头NRPxxS/SN系列巧妙地采用了三通道的测量方式来提高动态范围。三个测量通道能够提供高达93dB的动态范围，低至-70dBm的测量下限。这种多通道功率探头，传统的测量方式是针对不同功率大小的信号，功率探头采用不同的通道去进行测量，当被测信号功率有大幅度改变的时候，通道之间采用直接切换的方式，将测量通道换成下一个通道。这样的方法可以有效的扩展动态范围，但是会产生额外的问题，例如滞后效应、不同通道的线性度不一致等。

针对传统多通道测量带来的一些问题，R&S新型功率探头采用同时测量的方式来避免这些问题。新型功率探头在测量开启的时候，三个通道之中的一个通道将会是主要测量通道，但同时所有的通道都会进行连续测量，最终每个通道贡献不同的权重系数进行合并从而得到总的测量结果，这样可以保证在不同通道之间的平滑过渡，不会出现通道之间的硬切换带来的种种问题。图2显示了新型功率探头的三通道结果以及每个通道主要匹配的功率范围。

图2 R&S新型功率探头三通道结构示意图

2.3 更灵活的连接方式

前文提到，目前的功率探头可以将测量芯片内置到功率探头内部，也就是说功率探头本身就可以完成主要的测量，在传统功率测量方案中，功率计主机只是起到了显示和控制作用。针对这种状况，为了能够更方便的对测量功率进行显示，R&S提供多种连接显示方式。除了功率计主机，R&S公司的信号源、频谱仪、网络分析仪都可以用来当做显示主机。甚至可以利用电脑来当做功率计主机，这样可以帮助用户简化测试方案。新型功率探头的连接方式示意图见图3。

图3 R&S新型功率探头连接方式示意图

2.4 实现真正的远程测量

功率探头有一种应用场景就是远程功率监测，针对远程功率监测，传统的方式都会受限于探头与主机之间的连接线的长度。为此，R&S独创性的推出NRPxxSN系列功率探头，其中“N”代表该功率探头支持网络（Network）连接方式。典型的连接方式是利用网线将功率探头连接到PoE（Power over Ethernet）路由器上，这样就可以通过PoE路由器访问并设置功率探头了。PoE路由器与传统的路由器相比，增加了一个通过网络接口供电的功能，所以功率探头的控制和供电都是通过网线来实现的。

功率探头利用PoE路由器连接至网络之后，我们可以利用联网的电脑来对功率探头进行控制，并读取测量结果。所有针对探头的控制都可以在网页浏览器中实现，无需安装额外的控制软件。NRPxxSN系列功率探头的远程连接示意图如图4所示。

图4 NRPxxSN系列功率探头的远程连接示意图

3. 小结

本文首先介绍了功率测量的基本方法，然后重点介绍了R&S公司新型功率探头所采用的一些新技术，以及这些新技术能够给我们带来的好处。其中准确度、速度、动态范围的提升让我们看到功率探头在基本测量性能上的改善，而多样的连接方式和远程测量方案则给我们提供了更加多样化的使用方法，可以应对更多特殊的应用场景。