中心議題：

• 研究用於精確功率測量的二極管傳感器技術

解決方案：

• 利用合適的傳感器技術調製的信號
• 用傳感器技術進行精確的真實RMS測量

本文中我們將分析一些現代通信係統對測量功率的需求

，並將介紹功率測量技術以及在進行功率測量的過程中存在的誤差和不確定性。

客戶對數據率日益提高的需求已經驅使從第一代移動電話和微波鏈路所使用的簡單的恒定包絡調製方式—如PMR設備中使用的FM製式—向更為複雜的調製製式如GMSK、CDMA和N-QAM轉移。

本文將重點介紹對CDMA和N-QAM係統的均方根(RMS)測量，並將介紹可用於測量這些類型信號的兩種不同類型的傳感器技術。

CDMA信號如IS-95(北美窄帶CDMA標準)或3GPP WCDMA標準具有大量的幅度內容。通常情況下,峰值到平均功率的比值最小為10dB,最高可能為16dB。這種幅度變化致使傳統的CW線性校正二極管傳感器不適合於這些類型的測量。

射頻鏈路已經采用了N-QAM—典型的是64 QAM或256 QAM—調製方式以提高數據率。其它如WLAN標準這樣的一些較新且數據率較高的係統也采用了64QAM以獲得最快的數據率。這些係統的符號率通常高於大多數常見的峰值功率計的帶寬，而RMS測量可以對係統的功率作出精確和經濟的指示。

功率測量技術已經確定了三類主要的功率傳感器設計：熱敏電阻
、二極管和熱電堆或塞貝克效應(Seebeck effect)。熱敏電阻傳統上一直被用於標準的轉換
，並不用於對係統和設備的常規測量，因為它們的功率處理能力有限。

基於二極管的傳感器一直有兩種不同的形式：僅基於平方律的傳感器和線性校正寬動態範圍傳感器。最近，人們已經推出了第三類二極管傳感器，即基於多隻二極管的傳感器。

熱電堆或塞貝克效應傳感器根據熱電偶的原理工作，並依賴於輸入信號的熱效應。這使它們成為測量複雜波形如N-QAM的真實RMS功率的理想選擇，因為無論加在載波上的調製方式是什麼，它們將總是對輸入波形的真實RMS值作出響應。

redianduijuyoulianghaodefanhuisunshi，takeyijianxiaoceliangdebuquedingxing。weiyidequedianzaiyutamendedongtaifanweiyouxian
，qieyuerjiguanchuanganqixiangbixiangyingsudujiaoman。anlidekuaisurechuanganqijuyou4ms的響應時間。

圖2所示為熱電堆單元和二極管檢測器的響應。傳統的二極管檢測器要麼工作在平方律區域，因此動態範圍被限製為50dB
；yaomecaiyongxianxingxiaozhengjishulaikuozhantamendedongtaifanwei。zhezhongjishushoudaogonglvjisududexianzhi，bingqiebushiheyuxitongchuanshudefuhaolvyuanyuanchaoguogonglvjicaiyanglvdeyingyong。
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如圖2所示，我們可以看到二極管平方律從-70dBm延伸到大約-20dBm。通用的傳感器利用三條二極管路徑構成的平方律區域來製成一種從+20dBm覆蓋到-60dBm動態範圍的真正的RMS傳感器。在二極管對之間有兩個轉換點，第一個轉換點大約在-3.5dBm，而第二個轉換點在-23.5dBm。

對於檢測器A的路徑，有40dB的衰減；如果輸入功率在+20dBm到-3.5dBm的範圍內，就要選擇該檢測器。因此
，在二極管上的信號電平的變化範圍從-20dBm到-43.5dBm。檢測器B具有23dB的衰減，如果輸入功率的範圍在-3.5dBm到-23.5dBm之間，就要選擇該檢測器。在二極管上的信號電平的變化範圍從-26.5dBm到46.5dBm。

最後一對二極管－檢測器C隻有6dB的衰減，並且當輸入電平下降到-23.5dBm以下才工作。在二極管上的信號電平的變化範圍從-29.5dBm 到-66dBm。係統框圖和物理版圖如圖3和4所示。
那麼，這三對二極管工作的優勢是什麼？我們具有一個真實的RMS範圍達到80dB的傳感器，那麼對於測量由UE—希望覆蓋寬的動態範圍—產生的WCDMA信號就非常有用。當然
，僅僅采用兩對二極管路徑就可能製成類似的傳感器。二極管的平方律區域為50dB，所以如果具有兩個路徑，其中每一個都工作在40dB的範圍內，那麼，這就足以產生一個動態範圍是80dB的傳感器。

然而，讓我們比較兩個傳感器的噪聲性能。對於兩個路徑傳感器，在－20dBm的中途轉換點，在二極管上的輸入功率等於-60dBm，在此點的噪聲會對測量造成嚴重的影響。對於三路徑傳感器，在任一個轉換點的最低信號都是-46dBm，所以信噪比要比采用雙路徑的方法好得多，從而使測量速度更快，但是精度較低。

測量誤差和不確定性可以分成四個受影響的主要區域：功率計、校正器、傳感器以及被測器件的一些特性，如匹配和偽信號輸出。我們將依此考查這些領域以分析它們對功率測量的貢獻。
安立的功率計具有5個放大器量程，增益最小的兩個量程是直流耦合
，並且具有對GSMleixingyingyongkuaisuxiangyingdeyoudian。qitasangeliangchengshijiaoliufangdaqi，tamenyuchuanganqizhongdeyigeduanluqipeiheshiyong。zhexieliangchengbeiyongyuceliangdidianpingdexinhao，zaici，wendingxing

、噪聲和漂移是主要的參數。如果減小這些量程的帶寬，可以改善噪聲性能。

儀器的精度

功率計的儀器精度小於0.5%，並且可以被處理為一般誤差；當考慮作為基帶電壓測量係統時
，這就是功率計的性能。一些通常會影響該數字的參數—如量化誤差以及零殘留(carry over)—已經通過采用具有更高分辨率的模數轉換器大為降低。

最低的增益量程通常具有最大的動態範圍。讓我們分析量化對該增益量程的影響，因為該影響將是最重要的。

在這個量程上
，模數轉換器的最大輸入電壓是4.5V。轉換器為16位模數轉換器
，所以，分辨率為每位68.6uV。該量程必須處理的最小信號大約是80mV
，這大約對應於模數轉換器的1,200位。因此量化誤差小於0.09%
，不必當成獨立的項目來處理。其它的放大器量程具有更小的動態範圍，所以量化誤差要小得多。

零位調整和漂移

這是調零過程的殘留效應，其在一小時內的漂移采用最大平均法來測量。對該參數的規範要求是誤差項在最敏感的範圍內小於滿量程的0.5%。對於本文中已討論過的兩個傳感器，最敏感的量程達到10dB。

對於快速熱量傳感器，零位調整等於0.05mW；而對於通用二極管傳感器
，零位調整等於0.05nW。隨著功率電平在最小量程內的降低，零位調整和漂移的影響更為重要。對於已公布的動態範圍內最低端的信號，其貢獻小於5%。

校準器功率參考

功率參考為功率計提供一個可追蹤的0dBm參考電平
，以校準傳感器。參考校準可追蹤到國家標準，並且可以被考慮為具有+/-1.2%內的峰值精度或一年內具有0.9% 的RSS。我們要考慮的其它誤差是待校準傳感器與該參考之間的不匹配。該參考具有小於1.04的VSWR(電壓駐波比)，而該數值有助於減小這種誤差。對於被考慮的兩個傳感器
，這個誤差項是0.31%。

功率傳感器

功率傳感器對不確定性預算的影響有5個因素：

1. 線性度

傳感器具有一個線性規範
，它是與理想功率測量設備之間的測量偏差；

2. 溫度係數

熱re電dian堆dui和he二er極ji管guan單dan元yuan兩liang者zhe都dou具ju有you溫wen度du係xi數shu。安an立li的de傳chuan感gan器qi對dui溫wen度du漂piao移yi進jin行xing單dan獨du的de校xiao正zheng，並bing且qie在zai功gong率lv計ji用yong來lai計ji算suan校xiao準zhun的de襯chen底di上shang具ju有you小xiao的de熱re敏min電dian阻zu。校xiao準zhun是shi不bu完wan美mei的de，所suo以yi，仍reng然ran存cun在zai殘can餘yu誤wu差cha
；典型情況下，該誤差在寬的溫度範圍內小於1%。

3. 不匹配

 它是在測量時傳感器和被測設備之間的不確定性。這常常是誤差預算中最大的一個因素
，即使各傳感器之間的匹配較好。

4. 校正因子的不確定性

這是傳感器和校正因子的校正係統之間不匹配的函數，它受到被測傳感器的影響。所以，對於38GHz的快速熱傳感器的例子
，其具有的校正因子不確定性為3.62%，而2.2 GHz的通用傳感器具有0.6%的校正因子不確定性。

5. 噪聲

這zhe取qu決jue於yu傳chuan感gan器qi的de類lei型xing和he所suo施shi加jia的de信xin號hao電dian平ping。對dui於yu熱re電dian堆dui單dan元yuan
，隨sui著zhe信xin號hao電dian平ping的de減jian小xiao
，噪zao聲sheng的de貢gong獻xian增zeng加jia。對dui於yu通tong用yong傳chuan感gan器qi，我wo們men需xu要yao考kao慮lv每mei一yi組zu二er極ji管guan上shang向xiang著zhe量liang程cheng轉zhuan換huan點dian處chu增zeng加jia的de噪zao聲sheng。在zai量liang程cheng轉zhuan換huan之zhi後hou，信xin噪zao比bi就jiu得de到dao改gai善shan。功gong率lv計ji信xin號hao通tong道dao對dui傳chuan感gan器qi的de整zheng體ti噪zao聲sheng性xing能neng的de貢gong獻xian相xiang對dui很hen小xiao。

平均化可以減小噪聲，安立 ML234X功率計提供幾種平均化的方案。在較低功率下
，有一種自動增加平均的工具，以保持在較高功率電平上的快速響應。
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不匹配

dangjinxingyiciceliangshi
，zhekenengshiduiwuchayusuangongxianzuidadeyigeyinsu。bupipeiwuchayouchuanganqihexinhaoyuandezukangbupipeisuoyinqi。zaitongyongshuyuzhong
，chuanganqi—是無源終端—往wang往wang具ju有you比bi有you源yuan器qi件jian更geng好hao的de匹pi配pei。反fan射she波bo與yu發fa射she波bo以yi向xiang量liang方fang式shi疊die加jia
，從cong而er產chan生sheng駐zhu波bo。傳chuan感gan器qi將jiang檢jian測ce到dao這zhe一yi點dian，但dan是shi，不bu可ke能neng探tan測ce到dao最zui大da和he最zui小xiao的de位wei置zhi。因yin此ci
，當dang考kao慮lv不bu匹pi配pei誤wu差cha時shi

，我wo們men總zong要yao采cai用yong最zui壞huai的de情qing形xing。

描述不匹配程度的方程如下：

其中s是信號源。l是負載
，這種情況下就是傳感器。

采(cai)用(yong)一(yi)種(zhong)衰(shuai)減(jian)器(qi)可(ke)以(yi)改(gai)善(shan)不(bu)匹(pi)配(pei)誤(wu)差(cha)。在(zai)安(an)立(li)的(de)功(gong)率(lv)計(ji)中(zhong)，有(you)一(yi)種(zhong)工(gong)具(ju)容(rong)許(xu)用(yong)戶(hu)輸(shu)入(ru)具(ju)有(you)衰(shuai)減(jian)值(zhi)的(de)表(biao)格(ge)並(bing)應(ying)用(yong)到(dao)測(ce)量(liang)之(zhi)中(zhong)。精(jing)密(mi)的(de)衰(shuai)減(jian)器(qi)能(neng)夠(gou)被(bei)校(xiao)準(zhun)到(dao)0.05dB或1.15%。如果采用非精密的衰減器，那麼，校準誤差可能大於你所尋求的對不匹配的改進。

諧波和偽信號
在功率測量上的另一個誤差源就是諧波和偽信號。平方律傳感器將把其通帶內所有信號的功率疊加。

duiyumanzuzhengfuhuoguojiguifanyaoqiudedaduoshuyiwanchengdexitongsheji，zhexiexinhaoduiceliangdeyingxiangshikeyihulvede。raner，duiyuzaibuwanzhengxitonghuozixitongdebufenshangzuodeceliang，youyumeiyoulvbocuoshi
，zhexiexinhaokenengdaozhiewaiwucha。liru，jiashebendizhendangqitongguohunpinqixielou
，name，gaipinlvchengfenjiujinjinbizhuxinhaodi20dB。

傳感器將把兩個功率疊加在一起


，由於存在兩個信號，將導致附加的1%誤差。如果我們看另外一個例子
，這次放大器的信號被壓縮。在這種情形下，諧波輸出可能僅僅比載波小10dB，因此將給讀數添加額外的10%誤差，這與係統中其它的誤差相比顯得很大。

在多載波測試的過程中，這種真實RMS傳感器的特性具有較大的優勢。如果我們取兩個相距幾MHz的載波，那麼峰值電壓將為2V。基於二極管的峰值功率計然後會把這個讀數讀為4倍功率
，而真實RMS傳感器將正確地把組合信號識別為2倍功率。
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那麼，讓我們看這些誤差對兩個測量情形的影響。在兩種情形下，我們都將假設信號源具有1.5的VSWR，並且該信號的偽輸出是可忽略的。

1. 在+10dBm采用通用傳感器對2.2GHz WCDMA信號進行測量；

2. 在+10dBm采用熱傳感器測量38GHz射頻鏈路
；

在這兩種情形下，我們假設在測量上的噪聲和零漂移效應都是可以忽略的。

表中顯示了疊加在線性和RSS模式中的不確定性。
線性求和假設最壞情形的誤差總要相加。RSS求和采取這樣的觀點：由於信號源的誤差源於不同的物理機製，那麼假設它們在最壞情況下平均起來不會疊加就是合理的。

當(dang)處(chu)理(li)非(fei)物(wu)理(li)相(xiang)關(guan)的(de)不(bu)確(que)定(ding)度(du)的(de)總(zong)和(he)時(shi)
，許(xu)多(duo)公(gong)司(si)和(he)不(bu)確(que)定(ding)性(xing)方(fang)案(an)采(cai)用(yong)了(le)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)。如(ru)果(guo)我(wo)們(men)要(yao)從(cong)這(zhe)些(xie)頻(pin)率(lv)和(he)功(gong)率(lv)電(dian)平(ping)增(zeng)加(jia)我(wo)們(men)對(dui)不(bu)確(que)定(ding)性(xing)的(de)了(le)解(jie)，那(na)麼(me)，最(zui)好(hao)的(de)辦(ban)法(fa)是(shi)通(tong)過(guo)三(san)維(wei)圖(tu)形(xing)來(lai)展(zhan)示(shi)這(zhe)一(yi)點(dian)。 [page]
duiyubucaiqupingjunchulidetongyongchuanganqi，gaituxianshilezaishiwenxiabuquedingxingdezonghe。zuihuaiqingxingyijingbeidiejiashangqule。congzhongkeyikandaozaoshengduierjiguandemeiyitiaolujingdeyingxiang。liyongdaxiaoshidudepingjunchuli，zaizhuanhuandianshangdezaoshengkeyibeijianxiaodaoweibuzudaodeshuiping。zaidigonglvdianpingshang，zaoshengshizuidadeyigeyingxiangyinsu。
該圖顯示了熱電堆傳感器在其整個工作頻率範圍內的不確定性表麵。在該情形下，信號源匹配一直固定在1.2，所以由於不匹配引起的不確定性被減小了。不確定性已經被當作RSS項xiang疊die加jia。在zai低di功gong率lv電dian平ping上shang不bu確que定ding性xing的de增zeng加jia主zhu要yao是shi由you零ling位wei調tiao整zheng參can數shu引yin起qi的de。這zhe種zhong與yu頻pin率lv相xiang關guan的de紋wen波bo是shi因yin在zai整zheng個ge範fan圍wei內nei變bian化hua的de校xiao正zheng因yin子zi的de不bu確que定ding性xing引yin起qi的de。

2.5%不確定性，在圖上是最低的不確定性，剛好高於+/-0.1dB
；而8%的不確定性，在圖中是最大的不確定性
，是+0.33/-0.36dB。

本文小結

利用合適的傳感器技術，可以對具有複雜調製的信號進行精確的真實RMS測量。本文介紹了在測量功率時計算不確定性預算過程中需要考慮的各種因素。

在大信號功率級，最重要的一個影響是不匹配，而這可以利用如精密衰減器之類的匹配技術進行管理

；在低功率級
，最重要的影響是噪聲，而這可以通過在功率計上選擇適當的平均條件來管理。