面向非射频测试工程师的射频测量基础

2008-07-21 02:41:26来源: EDN
  初涉无线设计和无线产品研发工作的工程师需要掌握基本的射频测量基础知识。很多情况下,这一过程是使那些长期从事低频应用的工程师们重新拾回他们曾经在学校学习过的射频理论知识,并为他们注入一些关于射频理念和测试仪器方面的应用知识。本文即旨在于此。
  引言

  当前,基于射频原理的无线通信产品俯拾即是,其数量的增长速度也非常惊人。从蜂窝电话和无线PDA,到支持WiFi的笔记本电脑、蓝牙耳机、射频身份标签、无线医疗设备和ZigBee传感器,射频设备的市场规模在飞速扩大。仅从今年来看,全球制造并销售的蜂窝电话将高达8.5亿多只。

  要想进行全面的生产测试并提高测试产能,测试工程师们必须要理解射频基本原理,清楚测试的内容,并懂得选用最适合 的仪器完成这些测试工作。问题是,大多数从事低频应用(工作频率在1MHz以下)的工程师不太熟悉高频的应用特点。

  射频术语:您必须掌握的“工作语言”

  忘掉电压,射频工程师常用功率

  射频信号的强度千差万别。随着信号在自由空间的传播,单位功率将随着距离的平方成比例降低,功率的变化常用分贝(dB)来表示。

  采用分贝进行功率测量也大大简化了计算过程。增益
和损耗都按分贝为单位进行加减。因此,乘法操作简化为加法操作。dB的形式化定义为:
  dB = 10 log (Pout/Pin)

  分贝dB是一个相对的值。另一个相关的单位是毫瓦分贝dBm,它是相对于1mW的绝对功率。图1给出了dBm的值及其相应的瓦特数,其中还给出了移动电话的发射机发射功率参考范围,以及灵敏接收机所能检测到的最低信号功率。图2给出的等式定义了室温下射频信号的理论热噪声。由于射频信号通过空气的传输以及受到大气干扰和其它信号的干扰,到达接收机端的信号电平可能变得非常低。接收机常常需要检测低于0.1pW的信号(或者低于微伏的信号电平)。

  Noise Floor:本底噪声

  常见问题不再是输入阻抗,而是传输线的阻抗失配

  在低频情况下,我们在电路上传输电压的目标是实现最小的衰减幅度。其中,最有效的电路是输入阻抗高而输出阻抗低的电路。对于射频应用,线缆的长度可能只有波长的四分之一,我们必须把信号传输当成波来理解。如果波受到阻断,部分波信号就会发生反射。射频传输的目标就是无损耗地将所有的功率传给负载。任何功率的反射就意味着传给负载功率的损失。因此,失配是一个关键的参数。电路元件和传输线之间的任何阻抗差异都会引起反射和功率损耗。


图1给出了dBm的值及其相应的瓦特数其中还给出了移动电话的发射机发射功率参考范围以及灵敏接收机所能检测到的最低信号功率

图2给出的等式定义了室温下射频信号的理论热噪声


  在射频应用中,传输线一般都采用同轴电缆,它们相对于电路板和电路板内的微带线路而言都是外部组件。这些组件具有自己的特征阻抗。传输线的特征阻抗取决于导线的几何结构、导线的属性以及包裹或隔离导线的绝缘体。对于射频应用来说,传输线的特征阻抗以及各组件的输入和输出阻抗通常采用50欧姆或75欧姆。50欧姆的阻抗用于优化系统内的功率传输,而75欧姆的阻抗用于实现最小的衰减,例如有线电视网系统。大部分射频无线传输系统都是针对功率传输而进行设计优化的,因此特征阻抗都是50欧姆。

  为了尽量减少反射,无线测试与测量应用中的射频线缆和组件都是基于50欧姆特征阻抗而设计的。相反,当阻抗匹配时,就实现了最佳的功率传输。

  如果某个信号波从一种特征阻抗传输到另一种不同的特征阻抗,那么就会引起信号反射和反向传输。如果阻抗相同,就不会发生反射。当由于阻抗不连续而发生信号发射时,就会在传输线的两个方向上出现信号波的传输。在这两个波相位相同的点上,将出现最大的电压幅值Vmax;在它们相位相差180度的点上,将出现Vmin。Vmax和Vmin的比值称为电压驻波比,即VSWR。VSWR是衡量某个连接器或某条线缆的阻抗是否接近50欧姆的一个指标。图3给出了理想情况下全匹配(没有反射)、理想开路(100%反射),以及极端情况下这三个值之间的关系。

图3给出了理想情况下全匹配理想开路以及极端情况下这三个值之间的关系


  Return Loss:回波损耗
  Reflected Power:反射功率

  熟悉掌握新型的连接器、线缆和元件

  带BNC连接器的电缆通常在500MHz以上就开始衰减。在射频领域,电缆通常配备N型连接器和SMA连接器。N型连接器常用在测试仪器上,因为它们非常耐用,可以处理高功率,能够很好地工作在高达18GHz的频率下。SMA连接器比N型连接器小得多,比N连接器的功率更低,但是可以很好地用于18GHz以上的频率下。

  所有的射频电缆都是同轴的。同轴射频电缆可以是不可弯曲的(即刚性的)、可弯曲一定程度的(即半刚性的),或者可弯曲的。对于射频而言,我们要比低频情况下更小心地对待电缆。过分的弯曲电缆以及明显的90度折弯都会损坏电缆,严重地降低传输性能。

  在低频情况下,良好的连接就是指导线之间要相互接触(简单的连续性)。而在射频情况下,阻抗失配是很严重的问题,意味着良好的连接不仅要确保导线相互接触,而且要
求连接器也要正确的扭转在一起。因此,射频制造商常采用7英尺磅大小的扭矩,以确保连接器之间具有很好的接触和最小的电阻(射频术语称为插入损耗)。

  在整个测试系统中保证50欧姆的传输线

  射频电路中的并行连接或者多信号通路并不像低频电路中的那样简单。保证整个电路通路阻抗匹配,减小阻抗不连续和信号反射是非常关键的。射频开关的制作都采用精密加工,以确保整个开关都是50欧姆的阻抗。为了实现并行通路,人们采用所谓的分路器或分离器之类的器件将一条输入信号通路分成两条或多条输出通路,每条通路50欧姆。组合器则实现相反的作用,将多条输入通路合并成一条输出通路。如果您是首次接触射频测试,那么不要被这些复杂的情况所吓倒。射频元件比同样的直流元件成本要高得多。

  您需要什么样的射频仪器以满足您的测试需求?

  低频测试仪器正不断丰富普及,射频测试仪器的种类也越来越多,应用越来越广泛,包括从信号源和功率计,到频谱网络分析仪等各种仪器。这些仪器用于产生射频信号,以及测量大量信号参数。

  射频功率计——射频领域的数字万用表

  功率是射频领域中最经常被测量的一个量。测量功率最简单的方法就是使用功率计,它实际上是用来
测量射频信号功率的。功率计中使用宽带检波器,按瓦特、dBm、或者dB μV显示绝对功率的大小。对于大多数功率计而言,宽带检波器(或传感器)是一个射频肖特基二极管或者二极管网络,实现射频到直流的转换处理。

  功率计是所有测量功率的射频仪器中最准确的。高端功率计(通常需要一个外部功率传感器)可以实现0.1dB或更高的测量精度。功率计最低可以测量-70dBm(100pW)的功率。传感器有各种模型,从高功率模型、高频率(40GHz)模型,到峰值功率测量的高带宽模型等。

  功率计有单通道和双通道两种。每个通道都需要配置自己的传感器。两个通道的功率计就能够测量出一个器件、电路或系统的输入和输出功率,并计算出增益或损耗。

  某些功率计能够达到每秒200到1500次读数的测量速度。而有些功率计能够测量多种信号的峰值功率特性,包括通信和某些应用中使用的调制信号和脉冲射频信号。双通道的功率计还能够准确测量出相对功率。功率计还可以针对便携式应用的需要设计成尺寸精巧的外形,使其更适合于现场测试的需要。

  功率计的主要局限在于其幅值测量范围。频率范围是与测量量程之间进行折衷的。此外,功率计虽然能够非常准确地测量出功率,但是无法表示信号的频率分量。

  射频频谱或射频信号分析仪——射频工程师的示波器

  频谱或矢量信号分析仪利用窄带检测技术在频域内测量射频信号。其主要的输出显示是功率频谱与频率之间的关系,包括绝对功率和相对功率。这种分析仪还可以输出解调信号。

  频谱分析仪和矢量信号分析仪没有像功率计那样的精确性,但是,射频分析仪中使用的窄带检测技术使其能够测量低达-150dBm的功率。射频分析仪的精度一般在±0.5dB以上。

  频谱和矢量信号分析仪可以测量的信号频率从1kHz到40GHz(甚至以上)。频率范围越宽,分析仪的成本就越大。最常见的分析仪的频率达到3GHz。工作在5.8GHz频率范围的新通信标准就需要带宽为6GHz以上的分析仪。

  矢量信号分析仪是增加了信号处理功能的频谱分析仪,它不仅能够测量信号的幅值,而且能够将信号分解成它的同相和正交分量。矢量信号分析仪可以将某些调制信号进行解调,例如一些由移动电话、无线LAN设备和基于其他一些新通信标准的设备所产生的调制信号。矢量信号分析仪可以显示星座图、码域图和调制质量(例如误差矢量幅度)的计算度量。

  传统的频谱分析仪是扫描-调谐式设备,因为其中的局部振荡器要扫描一个频率范围,窄带滤波器就可以获取该频率范围内每个单位频率上的功率分量。矢量信号分析仪也扫描一部分频谱,但是它们捕捉一定宽带内的数据进行快速傅立叶变换得到单位频率上的功率分量。因此矢量信号分析仪扫描频谱的速度比频谱分析仪快得多。

  评价矢量信号分析仪性能的关键指标在于它的测量带宽。一些新的高带宽通信标准,例如WLAN和WiMax,需要捕捉带宽为20MHz的信号。要想捕捉并分析这些信号,分析仪必须具有足够大的带宽才能捕捉到整个信号。如果测试高带宽、数字调制的信号,那么要确保分析仪的测量带宽能够充分捕捉到所测的信号。

  频谱分析仪可以用于检验待测发射机是否产生了正确的功率频谱。如果设计工程要求测试某些失真分量,例如谐波或寄生信号,那么就需要采用频谱分析仪或矢量信号分析仪。类似的,如果设计者关注器件的噪声功率,那么也需要使用这样的射频分析仪。其他一些需要频谱分析仪或矢量信号分析仪的例子包括:测试互调失真、三阶截断、功率放大器或功率晶体管的1dB增益压缩、器件的频率响应等。

  测试那些涉及数字调制信号的发射机或放大器就需要使用矢量信号分析仪,对调制信号进行解调。矢量信号分析仪
能够测量出某个器件产生了多大的调制失真。解调过程是一个复杂、计算密集的过程。能够快速进行解调和测量计算操作的矢量信号分析仪就可以大大缩短测试时间,降低测试成本。

  射频信号源

  所有的射频信号源都能产生连续(CW)射频正弦波信号。某些信号发生器也能够产生模拟调制射频信号(如AM信号或脉冲射频信号),矢量信号发生器采用IQ调制器产生各种模拟或数字调制信号。

  射频信号源进一步可以分成很多种,包括固定频率CW正弦波输出源、扫描输出一个频段非固定频率CW正弦波的扫频源、模拟信号发生器以及增加模拟和数字调制功能的矢量信号发生器。

  如果测试需要激励信号,那么就需要射频信号源。射频信号源的关键指标是频率与幅值范围、幅值精度和调制质量(对于产生调制信号的信号源而言)。频率调谐速度和幅值稳定时间对于减少测试时间也是非常关键的。

  矢量信号发生器是一种高性能的信号源,通常结合任意波形发生器一起产生某些调制信号。通过任意波形发生器可以使矢量信号发生器产生任意类型的模拟或数字调制信号。这种发生器可以在内部产生多种基带波形,在某些情况下,也可以在外部产生某种基带波形然后载入到仪器中。如果测试规范要求被测的
元件、设备或系统按照待测设备最终使用中的处理调制方式进行测试,那么这种情况下通常需要使用矢量信号发生器。

  如果测试规范需要进行接收器灵敏度测试、误码率测试、相邻信道抑制、双音互调抑制、或双音互调失真的测试,那么也需要使用射频信号源。双音互调测试和相邻信道抑制测试需要两个信号源,接收器灵敏度测试和/或误码率测试只需要使用一个射频信号源。

  如果待测器件是用于移动电话的,那么测试者可能要根据移动电话标准的需要进行调制信号类型的测试。移动电话功率放大器需要结合调制信号源(例如矢量信号发生器)进行测试。在选择某种矢量信号发生器之前,要评估一下该信号发生器在不同调制信号之间的切换速度,以确保其能够提供最快的测试时间。

  网络分析仪

  除了频谱分析仪和矢量信号分析仪,第三类分析仪就是网络分析仪。网络分析仪包含一个内置的射频信号源和一个测试射频器件的宽带(或窄带)探测器。网络分析仪以x-y坐标、极坐标或史密斯圆图的形式输出显式器件的特性。

  从本质上来看,网络分析仪测量的是器件的S参数。矢量网络分析仪可以提供幅值和相位信息,可以以很高的精度判断这些器件在某个宽频段上的传输损耗与增益。通过矢量网络分析仪,还可以测量出回波损耗(反射系数)和阻抗匹配,进行相位测量和群延迟测量。

  网路分析仪主要用于分析诸如滤波器和放大器之类的元件。值得注意的是,网络分析采用的是未经调制的连续波,分析仪的校准十分重要。利用制造商提供的校准工具包可以实现网络分析仪的校准。

  由于网络分析仪在一台仪器内集成了信号源和测量功能,而且分析仪具有较宽的频率范围,因此这类仪器的价格比较昂贵。

  典型应用

  需要同时使用四种主要的射频测试仪器的一个应用实例就是功率放大器(PA)的测试。

  信号源可以提供输入信号,功率计或频谱分析仪可以测量输出功率。如果精度非常重要,例如在测量最大功率时,那么就需要使用功率计进行输出测量。

  PA的输入匹配对于从事射频发射器的设计者来说是一个关键参数。放大所有供给PA的功率,不因反射而损耗实际的功率,这是非常重要的。因此,PA制造商都会指明并测量PA的回波损耗(即S11),这是网络分析仪可以测量出的。另外,如果仅仅需要测量标量幅值,那么可以通过一个耦合器将一个信号源和一个频谱分析仪(或功率计)结合起来,测量反射功率的幅值。相比使用网络分析仪来看,这种方法唯一的缺点就是配置过程更加复杂,需要使用额外的无源射频元件。对于回波损耗标量的测量,功率计能够实现更精确的功率测量。

  对于输入阻抗与输出阻抗(一般为50欧姆)不匹配的负载,PA向这样的负载传输功率的能力是衡量该PA在真实条件下性能的一个重要指标,因为在真实条件下负载(例如天线)不一定恰好具有50欧姆的特性输入阻抗。在这种情况下,非50欧姆的电阻负载就会切换到该PA的输出端。这种负载将迫使PA输出高达20:1的VSWR(理想匹配的情况下,50欧的负载将会得到将近1:1的VSWR)。PA必须能够正确工作,在存在大量反射功率的情况下为负载提供一些功率。

  某些输出测量需要进行频谱分析。用于广播或移动电话领域(或者其他符合FCC规定的应用)的射频PA要求在PA工作频道的相邻频道内不能产生多余的功率。对相邻信道功率、互调失真和谐波失真的测量就是测量PA在真正传输信道之外所产生的功率。对于这些测量而言,动态范围、在存在大信号(例如载波信号)的情况下测量小信号的能力就成为频谱分析仪的一项重要指标。例如,如果某个PA的指标表明它的相邻信道功率(对于某类调制机制,或者对于某种特殊的移动电话标准)是60dBc(载波下分贝),那么该频谱分析仪的动态范围(在所需的测试条件下)必定比谐波功率、相邻信道功率或互调分量的最小容许功率至少大6dB。

  邻信道功率必须采用调制信号进行测量,也就是说必须考虑信号源的邻信道性能。信号源的邻信道功率输出必须比功率放大器产生的最大容许邻信道功率至少小6dB。

  对于谐波的测量,分析仪的频率范围必须比该PA的最大工作频率(3dB带宽频率)大三倍,以充分捕捉最大工作频率的三次谐波功率。此外,频谱分析仪的动态范围和本底噪声必须至少比待测值低6dB,才能很好的测量三次谐波分量;必须具有合理的信噪比,才能实现精确和可复现的测量。谐波测量显示的是PA产生的失真大小。过多的失真会对调制性能产生负面影响。

  当不同频率的信号或不同频率的信号分量成为PA输入时,互调失真就决定了PA产生了多少失真。产生这样的测试信号需要两个信号源。而一个双输出的信号源是不够用的,因为它的两个输出信号之间没有充分的隔离。信号源会产生自身的互调失真,这会导致过高放大器失真测量,带来测量结果的错误。

  针对移动电话市场和某些市场领域(例如WLAN应用)而设计的PA也经常要进行调制质量的测试,在这些应用领域中一般采用比较复杂的调
制机制。这类测试通常要测量误差矢量幅值(EVM)。

  结束语

  上述对主要射频理论的简要介绍旨在帮助读者回顾一下相关知识。这些对射频测试仪器的概述将为读者针对测试的需求选择合适的测试仪器提供一些总体上的指导。在大多数情况下,测试者将会用到这四种测试仪器中的一种或几种:信号源、功率计、频谱分析仪和网络分析仪。 

关键字:传感器  PDA  WiFi  频率  增益  电平  噪声

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2008/0721/article_231.html
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