过渡区——平方律区和线性区(约-20dBm至0dBm)之间的区域称为过渡区。在该区域中,准确的功率测量结果依赖于精准的校准和测量操作。
图4:二极管检测器输出对输入功率的响应
在研究二极管传感器时,通常会看到的一个术语是“真均方根值(true-RMS)”。该术语是指,传感器获取的所有功率测量值均取自二极管平方律区的读数。仅使用一个二极管,传感器的动态范围将低于-20dBm,这对于许多RF信号来说是不够的。需要测量较高功率信号的用户可以在RF信号和传感器之间放置一个衰减器,但是额外的衰减器会引入失配不确定和与其他频率相关的特性,这都会对功率测量的准确性产生负面影响。
为了能够在更宽的动态范围内进行真均方根(RMS)测量,许多厂家已经开发了两路或三路二极管传感器架构,这种架构的传感器能够将高功率信号保持在二极管的平方律区。这样的传感器通过将信号分为两路或三路来实现,每个路径都有一个内置了衰减器的二极管。
图5:三路径二极管功率传感器的示意图
通过将衰减器内置到电路中,设计人员能够最大程度地减少失配,并对任何线性偏差进行预补偿。结果是所有信号进入正确的二极管路径,以使其保持在二极管的平方律区内,从而测量得到真均方根值,与调制无关的平均功率读数。
图6:三路径二极管测量范围示例
除了三路径传感器之外,还有CW二极管传感器或峰值/脉冲二极管传感器。连续波传感器使用单路径二极管架构,其算法可处理不同二极管区的功率关系。峰值功率传感器需要宽带接收机,以捕获信号中的快速变化。但这也接收到了更多的噪声,动态范围被限制在-30dBm左右。
与需要一些建立时间反应热量变化的热电偶传感器不同,二极管几乎可以立即对输入电压的任何变化做出反应。所以二极管传感器的测量速度基本上仅受传感器处理数据能力的限制。当今具有更好处理技术的新型传感器,可以做到每秒测量速度达数千和数万次。二极管传感器的精度也相当好,但通常不如热传感器好。选择热传感器代替二极管的主要原因是需要更高的精度(如上述校准示例所示)。
接收机
最后一种功率测量技术是无线接收机,但功率测量通常不是这项技术的主要功能。一般只能在更昂贵的设备(例如频谱分析仪)中集成了该项功能。值得一提是,这些接收机可以为工程师和测试人员提供市场上任何功率传感器都无法提供的优势。
首先,与大多数在时域中工作的功率传感器相反,无线接收机进行的是频域的测量。这意味着可以将接收机调整为仅测量用户定义频率范围内的功率。热传感器和二极管传感器是宽带的,因此它们将包含来自任何频率的功率,包括谐波或其他无关信号。而无线接收机可以从最终功率测量中滤除那些不需要的信号。
与典型的热传感器或二极管传感器相比,无线接收机的本底噪声也低得多,因此它们可以测量低得多的信号功率。当今市场上最好的传感器的测量范围为-70dBm。接近本底噪声的信号需要大量平均才能获得稳定的读数,即使如此,不确定性也会上升。而接收机的本底噪声可能远低于-100dBm,因此这就能够找到并测量许多永远不会在热传感器或二极管传感器上记录的信号。
无线接收机的主要缺点(除了频谱分析仪的高价外)是整体精度。无线接收机的测量不确定度可能大于±2dB。可调性和较低的本底噪声可以帮助弥补这一缺点(如上述情况),但是在受控的实验室情况下,精确测量功率还是最好采用热敏或二极管传感器。接收机最适合于生产线中的简单验证测试(所谓的“开/关”测试)或传输系统的现场测试,例如无线回程或分布式天线系统(DAS)。
传感器的应用选择