基于多通道二极管功率探头实现精确功率测量

从经典方法到集成功率探头

长期以来，功率计都是由功率计主机和经电缆连接的外部功率探头组合在一起。在功率探头中射频信号被转换成电压信号，经过放大，然后数字化，并在主机中显示。
此类功率计中，功率探头和功率计主机之间是纯模拟传输。这种方法的优点是可以为当前的任务选择合适的功率探头，而不需要新的功率计主机。但是其固有的缺点是功率探头不能独立工作，没有主机则无法使用。

然而，随着元器件日益微型化，以及现在小型、节能处理器的性能不断提升，情况已经改变。同时，现在能够将功率计制作成小型、集成单元，并且可通过标准的USB接口直接将其连接到PC或功率计主机。这种情况下，主机不进行任何模拟信号处理,而是主要用于操作功率计和显示测量值。这种解决方案有显而易见的优点：集成的功率计不再由多个组件构成，能够在制造过程中对整个功率计进行特性描述。这就不需要像传统方法那样，在测量前使用参考信号校准探头和主机了。

此外，信号处理对有害的干扰不再那么脆弱，因为信号处理是在集成元件内部进行的，而且功率探头现在仅需在信号幅度非常小的时候进行调零。

探头技术

功率计可基于不同技术制造，这些技术覆盖的频率范围可扩展到100GHz以上，功率范围从100pW到几十W。
当今，在功率计中主要采用以下技术：
• 热-电检波器
• 多通道二极管检波器
• 使用二极管检波的宽带或峰值探头
• 使用二极管检波并集成对数检波的连续波探头

热耦探头使用电阻将输入的射频功率转换成热量。然后根据这个电阻和它周围环境间的温度差计算出射频功率。热耦探头的主要缺点是测试速度慢，不能显示功率包络。由于热耦探头的工作方式，它仅能够用于测量大约300nW以上的功率,动态范围因此受到限制。基于二极管的功率探头能够克服这一缺点,可以提供高达90dB的动态范围。根据它们的实现方式，某些基于二极管的功率探头也能够测量高达几十MHz带宽的功率包络。
基于二极管的功率探头，使用RMS检波器将射频信号转换成电压信号。在功率低于-20dBm以下时，该检波器在射频信号和输出电压之间呈现线性关系。

这个区域称为平方律区域。这里，二极管检波器的特性多少有些像热检波器，并且基本上不受谐波和幅度调制影响。超出这个信号电平，射频信号和检波器输出电压之间的线性关系不再存在。仅当信号带宽小于检波器带宽时，可以在这个区域内进行精确的功率测量。此外，将每个测量值用于进一步计算前，必须将该值线性化。

解决方案：多通道二极管功率探头

在制造大动态范围的通用功率计时, 为了扩展二极管检波器的优势，需要采用多种技术。
首先，串联连接几个二极管，形成所谓的“栈”，这将提高10dB•log(N)的动态范围，这里的N等于二极管的数目。此外，具有不同衰减值的两条或三条独立测量通道被集成进功率探头。

根据输入的射频电平，探头选择性能最佳的通道。通道间可以采用硬切换，但是硬切换会带来迟滞。采用罗德与施瓦茨NRP-Z探头则可以实现通道间平滑过渡。这种方法有许多优点，包括避免信号台阶，由于消除了迟滞有较好的重复性，以及不中断测量功率包络的能力。此外，在过渡区S/N比上有高达6dB的改善。

图 1：由于通道加权处理，在过渡区改善了精度

图1是两个通道的过渡区的测量不确定度{不确定度}，显示了硬切换和平滑过渡两种情况。蓝色曲线描述灵敏度较高的测量通道，这个通道以切换点为测量上限。在切换点往上，由于谐波或调制的影响，测量不确定度迅速增加。红色曲线描述灵敏度较低的通道这个通道以切换点为测量下限，当电平降低时，由于噪声零点漂移引起该通道的测量不确定度增加。由于在切换区域内的平滑过渡，得到更快的测量速度和更好的性能。

经过大量在多通道二极管功率探头研发上的努力，我们在一定程度上取得了成功。今天，这些功率探头几乎达到了热耦探头的精度，同时还提供更大的动态范围和更快的测量速度。集成功率计的生产使得同时工作的多通道探头成为现实。

测量精度

探头的质量反映在它的测量精度上。对于功率探头，参考条件下的典型指标规定了探头能达到的测量精度。因此，熟悉生产厂家的技术规格非常重要，以便确定存在哪些附加误差来源会影响给定信号类型的测量。用户也应注意以下方面：
• 连接器的良好连接
• 调零时, 必须关闭射频信号
• 被测设备(DUT)良好的阻抗匹配
• 正确设置射频频率