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1、RFMW 101: 传输线原和功测RFMW 101: 传输线原和功测RF & Microwave e-Academy Program Powerful tools that keep you on top of your gameTechnical data is subject to change. Copyright2004 Agilent TechnologiesPrinted on Jan, 2004 5988-8493CHA欢迎来到教学模块RFMW 101传输线原理和功率测量。我们强烈为射频和微波领域的新兵推荐这一模块。其它模块也会涉及这里介绍的原理。我们现在开始讲授。 为么要测功？
2、 好的传感器有哪些特点？ 有办法测峰值功吗 ？ 么是调制信号？ 我能在多大程上影响确定？如果您能回答这些问题：那么您已有良好的基础！议程在这一自学模块中，我们将说明为什么要用测量功率代替电压和电流测量。然后将详细介绍功率测量和功率测量仪 器。过低：信号埋入在噪声中过高：产生非线性失真正确信号电平的重要性我们为什么要测量信号电平？系统的输出信号电平往往是射频和微波设备设计和性能的关键要素。信号电平的测量对每一个系统，从系统总体性能到功能器件都至关重要。对系统性能的大量重要测量要求测量仪器 和技术是精确的、可重复的、可溯源的和方便的。系统信号链中的每一个元件都必须接收到前面元件的正确信号，并在后面
3、的元件上施加适宜的信号电平。如果输出 信号电平太低，信号就会埋没在噪声中。如果信号电平过高，性能就会出现非线性和失真，甚至更坏的结果！VI低频时很容测电压（或电）但在高频时，沿传输线有同的电压！为么要测功？在直流和低频时，电压测量是简单和直接的。如果需要功率，也很容易通过计算获得。我们从欧姆定律知道V=IR，我们也知道P = VI。通过代换V或I，就有两种可能得到功率的方法，P=I2R 或 P=V2/R ，取决于知道哪一个变量。但当频率接近1GHz时，大多数应用都采用直接功率测量，因为电压和电流测量已变得不现实。高频路径被称为传输线。我们如何定义传输线？广义来说是传输路径的长度变得可与传输信号
4、的波长相比。这些导 线就开始展现行波现象。我们测量功率的一个理由是电压和电流可能随无损传输线的位置改变，但功率仍保持常数值。 另一个降低可用性的例子是在波导传输配置中很难确定电压和电流。由于这些理由，在射频和微波频率，作为基本 量的功率更容易测量，更容易了解，也更有用。RIIVPRV22=幅度tVIP功单位是 Watts 或 dBmP=V*I首先让我们确定我们理解所谈论的功率。一般电路理论认为对于任意负载，功率是电压、电流和功率因素的积（功 率因素定义为电压和电流相角的余弦）。对于纯电阻性负载，功率因素为1，瞬时功率就是电压和电流的积。对于 AC 信号，我们可看到功率和时间相关。电压和电流的积
5、是带DC项（平均值）的正弦波，频率为该AC信号的2倍。 作为最常使用的“功率”一般是指平均功率。为找到该平均值，必须积分功率曲线，确定曲线下面的面积，然后除 以该面积的时间长度。注意：该时间长度应是精确的 AC周期数，但随着周期数越来越高。无论您测量的周期数是 否精确，造成的只是难以察觉的差别。通常功率定义为在所包含最低频率的多个周期上，单位时间所传输能量的平均值。周期正弦电流（电压）的rms值定义为在电阻R上提供相同平均功率的DC电流（电压）。rmspVV2=rmspII2=电压和电流的幅度和相位与在导线上的 位置无关。波长要比导线长得多。电流能在导线上容易地进行高效率的 功率传输波长线长传
6、输线基础现在让我们更详细地了解传输线。在低频世界（通常 100 MHz)?在不良匹配时，电压和相位与导线位 置有关。?波长小于传输介质的长度。?负载和源匹配至导线的特性阻抗 (Zo) ，以 得到最大的功率传输。波长 线长传输线基础较高频率时情况发生了变化。通过传输线传播的信号波长变得可以与传播距离相比。此时会发生两种情况。一是称 为特性阻抗 Z0 的参数变得极为重要，二是被测电压或电流取决于我们进行测量的导线位置。但功率仍是常数。这就是为什么在高频世界中更多测量的是功率，而不是电压或电流。传输线源接收器Z0Z0同轴电缆理想传输线的等效电路损耗 阻抗 延迟传输线和特性阻抗特性阻抗定义为整个导线或
7、电路的平均行为。各后续部分看到的是相同的阻抗。沿导线的一致阻抗对于实现最佳功 率传输极为重要。让我们看看在理想条件下发生了什么。Zs= ZoZL不等于Z0V return = 0 V source阻抗匹配不完善，信号反射回源。传输线终端让我们拿一个玻璃透镜作比拟。传输线就像是一块玻璃透镜。如果透镜是一个完美的传送器，任何光线都将能穿过 透镜从另一端输出。如果它是一面完美的镜子，那么所有入射的光线都会从镜子上返回。事实上透镜不可能绝对完 美。照射在它上面的大部份光线将会穿过，但有少部分会从它光洁的表面返回。传输线就类似这种情况。它并非完美的器件（即并非完美的端接），因此部分入射信号将返回它的源。
8、如果导线终 端为开路或短路，那么所有信号都将返回。如果是完美的端接，那么就没有信号返回（从源看过来就像是无限长的 导线）。所以如果 ZL 是在开路和短路之间的Z0 ，部分功率将通过，部分功率将反射回来。因此设计窍门就是要使 ZL尽可能接近Z0。Z0Z0有共同值：50 (Ohms) 和 75 描述电压和电流行波间的关系特性阻抗ZO的典型值为50或75。为什么取这些值？因为能兼顾同轴电缆的功率管理和最低衰减点。大多数射频和微波设 备及系统趋向于使用50。广播和有线电视则使用75。我们在这里概要介绍了为什么要测量功率，以及ZO对于最佳功率传输的重要性。我们将在下面几张幻灯片中看到功 率测量中负载与Z
9、O失配对测量不确定度的贡献。现在开始详细说明功率测量。功单位 可测绝对功或相对功。 功的 SI 单位是 Watt。 分贝是另一种常用单位N = 10 Log (P2/P1) dB 对于 dBm, 我们使用 P1 = 1 mW我们通常在SI单位制中规定功率单位为W。这是一种绝对测量。有时以比率说明功率更为方便。特别是涉及比较2个 功率级的增益或损耗时。这是用分贝（dB）表示的相对功率概念。用分贝单位表示增益或损耗有二个优点 它是容易表示大数（或小数）的计数法。此外，几级级联网的总效应 可以用相加dB单位的简单方法代替线性值相乘。一个更为方便的单位是dBm 它是相对于1mW，以dB为单位的功率级。
10、因此0dBm是 1mW。一个简单导则是每 3dBm功率加倍，每 -3dBm功率减半。每10dBm为10倍，每10dBm为1/10。例如+36dBm是多少？让我们由0dBm开始，我们已经知道它是1mW。+30dBm将是1 mW*10*10*10，即1W。+6 dBm是1 W*2*2，因此最后结果是 4W。-23dBm是多少？使用同样方法从1mW开始，-20dBm是10W。-3dBm 将减半，因此最后结果是 5W。CW 信号调制脉动平均功现在，让我们详细讨论功率测量。对于一个AM信号，要在许多调制周期上作平均，对于脉冲调制信号，则要在若干脉动重复上平均信号。在所有功 率测量中，平均功率是最常进行的
11、测量，因为有使用方便、具有高精度和可溯源指标的测量设备。如果知道特定的波形信息，有时能从平均功率测量计算其它波形信息。例如，如果知道矩形脉冲信号的占空比，就 可从平均功率测量按下列公式确定峰功率。Ppeak = Pavg/占空比应注意这里的峰功率仅适用于没有过冲的真矩形脉冲。DutyCyclePPavg peak=峰功率 脉冲波顶幅度过冲平均功率占空比脉冲延迟PRIPRF脉冲宽度普通波形当谈论功率时使用着许多不同的术语，这张幻灯片中示出了其中一些术语。在我们的讲述中集中关注3种不同类型 的功率测量，平均功率、峰功率和时间选通功率测量。平均功率是在几个周期上得到的平均功率，在谈到“功率” 时一般
12、即指平均功率。峰功率是最大瞬时功率，为今天许多复杂无线调制系统所需要。最后，时间选通功率测量允 许在时域进行峰功率和平均功率这两项测量，TDMA系统，如GSM 特别对其关注。?频谱分析仪?网络分析仪?矢量信号分析仪?功率计我应使用哪些仪器？虽然有多种能够测量功率的仪器，但最精确的仪器是功率计和传感器。传感器为RF功率-电压传感器。功率计显示 检测电压，它表示以对数（dBm）或线性（W）为单位的功率值。功率计的典型精度为百分之几dB，而其它仪器（ 如频谱分析仪、网络分析仪）的功率测量精度只有十分之几dB，甚至更低。仪器间的主要区别之一是选频测量。选频测量试图确定规定带宽内的功率。典型功率计不是选
13、频测量，它测量传感 器整个频率范围的平均功率，包括载波功率和可能产生的任何谐波。频谱分析仪提供选频测量，因为它是在特定分 辨率带宽中测量。缺乏选频是功率计不能测量很低功率的主要原因，大约只能到-70dBm，而频谱分析仪这类仪器如果使用很窄的分 辨率带宽，就能测量远低于它的功率。在本教学模块的其它部分我们将集中讨论功率计和传感器。传感器吸收的RF功率功率计显示DC 或低频交 流电压功率传感器使用功计测现在，让我们了解在平均功率测量中使用的各种类型传感器和功率计。功率传感器的基本概念是把高频功率转换为功率计能够测量，并相关于特定RF功率级的直流或低频信号。因此它是 一种传感器件。有三种主要的传感器
14、类型，即热敏电阻、热偶和二极管探测器。它们各有所长和所短。我们将简要介绍每种传感器 的原理，然后说明其优缺点。热偶坚固适中的动态范围高精+ + + - - - + - + -M属 1属 2属 1参考结+-测试这些器件的电压或电阻是温度的函数，因此能进行很好的平均功率测量。注入这些器件的功率被吸收，并造成温度 上升，其电压或电阻的改变正比于注入功率。热偶结电压的变化是温度的函数。实际热偶功率传感器有二个结，一 个保持于室温，另一个暴露于被测入射RF功率。由于RF功率改变了探测结的温度，在两个结之间会产生一个净电压差V。选择适当的结材料，该电压就能是耗散 RF功率的线性函数。为获得高精度需要两个已
15、知校准点。把固定直流偏移校正到零耗散功率，斜率即为热偶响应。热偶功率传感器在几个量程中提供-30至+45dBm的高精度功率测量。以及最低的反射系数。二极管的平方律区-70Vout线性区Pin(dBm)-20噪声本底二极管探测器 平方Vout+-Vin RC与热敏电阻和热偶不同，二极管并不测量信号的热成分，而代之以整流信号。匹配电阻器（约50）用于RF信号的 端接。二极管把RF电压转换至直流电压，旁路电容器作为一个低通滤波器被用于去除任何通过二极管的RF信号。二极管传感器的一项主要属性是其灵敏度，它允许低至 -70dBm （100pW）的功率测量。这是独立于信号内容的真 功率测量吗？如果我们把二极管公式（见Agilent应用指南64-1A）展开为功率级数，就能发现直至约-20dBm，经整 流的输出电压都是输入信号电压平方的函数。从这一特性可得到整流输出正比于RF信号的功率，而与信号内容无关 。随着功率级增加到大约-20dBm，整流过程变得越来越线性，而输出电压变成输入电压的函数。对于复杂信号， 输出取决于输入信号各种成分间的相位关系。有多种类型的二极管被用于功率测量，今天使用最多的是低势垒萧特基二极管。我们在这里将讨论在Agilent二极管 传感器中使用的二极管类型，这就是PDB（平面掺杂势垒）二极管。PDB二极管在微波频率有比萧特基二极管
