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面向非专业的射频测量技术基础

作者:时间:2012-06-11来源:网络收藏

引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/154674.htm

当前,基于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、身份标签、无线医疗设备和ZigBee传感器,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。

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。

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