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Bird 5012B射頻通過式功率計的應用

Bird 5012B射頻通過式功率計的應用

1 內容簡介
自從無線電發射機問世以來，發射機輸出功率的測量就成為了射頻工程師的關注點。在本文中，簡要介紹了通過式功率計和終端式功率計的應用場合；重點介紹了 BIRD公司的 5012 B 數字通過式功率計在移動通信工程中的應用。

2 通過式功率計的歷史
早在 1952 年，BIRD 公司的創始人 J. Raymond Bird 發明了通過式功率計原理——Thruline®，從此，通過式功率測量法成為射頻功率測量的工業標準一直至今。通過式功率測量法的原理如下：

通過式射頻功率計的典型代表產品是 BIRD 公司的 43 型（見圖 2），它實際上是一種信號激勵裝置，采用了一個無源的二極管射頻傳感器。在同軸線的一側裝有一個定向的，半波二極管檢測波電路（見圖 1），并將其接到一個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耦合，并根據置于傳輸線旁的傳感器的方向取樣出正向和反射功率。

由于傳統的通過式功率計采用了線性二極管作為檢波器件，其動態范圍一般為 7dB 左右；同時也無法準確測量現代通信中高峰/均功率比調制信號的射頻功率。通過式功率計演變至今，已經在寬帶、高峰/均功率比測量方面有了很大的進步。如 BIRD
公司的新產品 5012B（見圖 3）通過式功率計具有*大 10MHz 的視頻帶寬，30dB 的動態范圍和 12dB 的峰/均功率比的測量能力；而且可以測量射頻信號的平均功率、峰值功率、突發功率、峰/均功率比和 CCDF 參數。即使是象 WCDMA 這樣的大動態范圍的寬帶調制的射頻信號，5012B 也完全可以對其功率特性進行完全的分析。

3 用通過式功率計還是終端式功率計？
與終端式功率計不同的是，通過式功率計真實的反映了一個發射系統中各個截面的正向功率和反射功率。終端式功率計的輸入阻抗是標準的 50Ω。在功率測量中，終端式功率計替代了發射機的負載，也就是說，終端式功率計將發射機的負載理想化了（見圖 4）。所以說，終端式功率計所測得的結果是發射機在理想負載時的輸出功率；如果發射天饋系統的匹配情況良好，則這個結果可以真實反映發射系統的輸出情況；如果發射天饋系統的匹配不好（如VSWR>1.5），則終端式功率計不能真實反映發射系統的情況。
終端式功率計適合于實驗室應用。

而通過式功率計則不同，它實際上是在傳輸線一側放置了一個耦合探頭，與發射機的工作波長相比，功率計傳感器的電長度幾乎可以忽略不計。所以只要將通過式功率計置于發射系統的某個截面，那么得出的結果是這個截面的正向和反射功率（VSWR）。
通過式功率計適合現場應用。

5012B 配合天饋線分析儀測量發射機天饋線系統

對于無線電運營商/工程商及制造商，通過式功率測量法是很有意義的，用 BIRD5012B功率計和 SA 系列天線分析儀配合，可以準確測量從發射機輸出端到天線輸入端的所有射頻指標，見圖 5。
SA 系列天線分析儀是一臺單端口網絡分析儀，同時還可以作為 5012B 的顯示單元。將SA 接在圖 5 中的④端替代發射機，可以測量天饋系統輸入端的 S11 參數，對整個系統進行故障定位（DTF），還可以單端測量天饋系統的 S21 參數。而將 5012B 串在位置④——發射機的輸出端，可以核準發射機的輸出功率是否在設計的范圍內；準確測量基站的輸出和反射的平均功率，峰值功率，突發功率，峰均功率比（峰值因子）和互補積累分布函數（CCDF）。這是無線電設備研發和維護工程師所關心的。位置③——天線的輸入端，可以確定發射機真正輻射到空間的信號究竟有多大；這是網絡規劃和優化工程師所關心的。位置②——可以檢查發射系統在某個位置的匹配情況，這是設備維護工程師所關心的。表 1 和表 2 分別是 5012B 功率計在 WCDMA 基站和 GSM900 基站的實測結果：
表 1、WCDMA 基站實測結果

測試指標 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 2 W 時： 3%

門限值設 3 W 時： 1.45%

門限值設 5 W 時： 0

表 2、GSM900 基站實測結果

測試指標 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

突發功率 40.5 dBm

峰值功率 40.6 dBm

峰值因子 0.25dB

CCDF 門限值設 9 W 時： 0%

門限值設 8 W 時： 3.4%

門限值設 5 W 時： 84.5%

    除了正常的正向和反射測量以外，從上述測試結果我們還可以看出WCDMA信號的峰值因子要遠遠大于GSM信號，這個值可以反映放大器的線性，關于這一點，將在后面再加敘述。
4 測量無源器件的插入損耗
     用二臺功率計可以十分準確的測出一個無源器件的插入損耗，其精度和網絡分析儀的測試結果相當（見圖6）。
這種測量方法的基本原理是替代法。即先將二臺功率計用一只精密的射頻轉接器（如Nm-Nm）直接連接，再用被測器件替代射頻轉接器，分別讀出4個功率讀數，從而計算出被測器件的準確插入損耗值。詳情參見《用功率計測量插入損耗》一文（文件號：03TF-001-v1.0-AN）。

     用這種方法可以準確的測出一個蜂窩基站從發射輸出到天線輸入的全部插入損耗，這對于基站的維護是有益的。雖然用網絡分析儀也可以單端測量長電纜的插入損耗，但是網絡分析儀必須在同一種介質下測量，而且要準確設定電纜的相速度，否則會產生附加的測試誤差；而用功率計法就不需要知道這些參數，它只是把整個系統（包括跳線、主饋線，避雷器，定向耦合器等）一并當作一個二端口網絡來對待。
5 配合 AIM 系列放大器測量裝置測量功率放大器的特性

AIM 系列放大器測試裝置是一種射頻測量子系統，配合 5012B 和頻譜分析儀，可以測量放大器的互調失真，功率，增益等指標（見圖 7）。

圖 8 表示了 5012B 和 AIM 的配合測量過程。

       在現代通信系統中，設計工程師們更關心放大器的線性指標而不是效率指標，這是與系統的工作特性有關的，尤其是在寬帶通信系統（如 CDMA/WCDMA 基站和直放站）中。
       放大器的線性通常用 IM3 來表征，這需要用信號源和頻譜分析儀來完成。用通過式功率計也可以測量放大器的線性度，而且方法很簡單：分別測出放大器輸入和輸出端的互補積累分布函數（CCDF），這二個數值越吻合，說明放大器的線性越好。
     在用功率計法測量放大器的線性的同時，還能測量放大器的增益和輸出功率；這對于生產線上的快速測試十分有意義。另外放大器的線性度直接影響到發射機輸出頻譜的純凈程度，因此也是無線電系統工程師的關注點。
6 測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之一。鑒于多載頻和數字調制系統的統計特性，峰值/平均值功率比是十分重要的參數（見表1和表2）。例如，8-VSB的數字調制信號的峰均功率比通常為6dB，而CDMA調制信號則可高達10dB；如此高的峰值功率可能會導致放大器的飽和，這將造成數字信號的誤碼，所以正確測量放大器的峰均功率比對于放大器的研制和生產有著重要意義。

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測試指標	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 2 W 時：	3%
	門限值設 3 W 時：	1.45%
	門限值設 5 W 時：	0