选择RF或微波功率传感器/ 功率计

引言：从普及的手机到完善的雷达系统，功率测量是任何RF或微波产品开发周期的基础。毫不奇怪的是，除了应用以外，调制范围和复用方式变化也非常大。这种情况再加上以前为高端分析仪预留的功率计中提供的各种新功能，使得RF或微波功率测量系统的选择比以前更加复杂。由于制造商产品技术资料中提供的产品和技术数据变化很大，因此在制订采购决策前，评价功率传感器的最佳途径是进行对照比较。本应用指南将介绍购买USB功率传感器时要考虑的部分因素。

要考虑的基本因素
选择USB功率传感器涉及许多与传统功率计和传感器相同的指标，频率范围、动态范围、准确度、清零和校准、测量速度和触发等因素对选型过程仍至关重要。

频率范围——率传感器的频率范围非常广，覆盖从几kHz～110GHz的频率范围。最常用的频率范围是6GHz～20GHz。由于功率传感器是宽带检测器，因此它们在整个频率范围内检测输入上所有RF功率。传感器内部存储的校准表会考虑传感器的频响变化。

动态范围——态范围是传感器能够进行实用测量的功率范围。这个范围取决于采用的传感器技术类型。基于二极管的传感器动态范围最宽，通常在-60dBm～+20dBm或更高。宽动态范围与快速响应时间相结合，使二极管成为大多数应用首选的解决方案。通过使用校正因数及使用多条二极管路径，二极管传感器把二极管的实用范围扩展到平方律区域之外，实现宽动态范围。在使用多条路径时，在这些路径之间切换使用的方法可能会影响线性度。大多数传感器次测量一条路径，在某个门限上切换，一般是在范围中点周围。这个跳变点变成潜在的不连续点或粘滞值，可能会导致非线性度或测量延迟。泰克功率计同时连续数字化两条路径，在跳变点上使用加权后的平均值。这可以在多条测量通道之间实现平滑连续跳变，在所有时间提供传感器的动态范围，而没有不连续点。

与基于二极管的传感器相比，基于热敏电阻的传感器的动态范围有限，在-20dBm～+10dBm之间；而电热偶传感器的动态范围一般则在-35dBm～+20dBm之间。

大多数功率传感器典型的最大输入功率是+20～+23dBm。如果超过这个值，则会损坏传感器。可以使用功率衰减器和耦合器，降低功率传感器输入上的最大功率，位移传感器的动态范围。这有助于减少可能发生的意外损坏，但使用功率衰减器会在传感器和衰减器之间增加反射。这些反射会降低测量准确度，要求正确匹配及更多的设置时间，来校准VSWR不匹配。

准确度——整体准确度是多种误差来源的综合结果，一般通过以标准化方式综合多种误差计算得出。这些误差来源包括：传感器到DUT不匹配、校准因数、线性度、噪声、温度和零偏置。尽管全面讨论这些来源超出了本应用指南的范畴，但应该指出，这些误差因素通常以RSS方式组合在一起。与泰克一样，大多数制造商遵守《ISO测量不确定度表达指引》，其中全面详细地解释了多种不确定因素怎样组合在一起。功率传感器的整体准确度在2%～5%之间，具体视制造商及采用的检测技术类型而定。

清零和校准——校准功率传感器时，要求把传感器连接到外部参考源上。清零传感器通常要求把传感器从被测器件上断开。清零和校准要求是重要的考虑因素，因为这些要求会提高测试时间，增加费用，特别是在自动测试系统中，每一秒都至关重要。如果功率传感器要求定期清零或校准，那么ATE 系统必须设计成适应这些程序。这通常要求结合使用昂贵的开关、手动设置程序或专用软件。校准要求使用外部参考源，清零通常要求用户断开被测器件。

泰克功率计完全消除了用户清零和校准，提供了完美的测量稳定性和准确度，缩短了测试时间，减少了连接器磨损，降低了软件和开关硬件。泰克PSM 功率计采用已获专利的技术，确保在整个温度范围内的稳定性和校准，在变化的环境温度中，其准确度要超过市场上任何其它传感器。大多数其它功率传感器要求清零，至少在某些条件下，如环境温度变化或在测量低电平信号时。请查阅仪器用户手册，确认要求清零或校准的情况。

测量速度——功率传感器一般会指定与测量速度有关的多个参数，使用的术语在不同制造商之间会变化。产品技术资料上经常看到的部分典型术语有“采样率”、“读取速率”、“测量速率”。采样率是模数据转换发生的速率。读取速率说明仪表可以以多快的速度把原始样点转换成测量数据。这些都是重要的指标，但根本问题是：“我可以以多快的速度得到稳定的测量数据？”传感器的采样率有助于确定传感器测量脉冲特点的能力，但采样率高并不能直表示快速稳定的测量。读取速率对测量速度有着更直接的影响，但它可能并不能准确地反映仪器提供稳定的功率测量的速率。稳定的测量不仅取决于采样率，还取决于信号噪声、信号幅度、传感器结构和稳定测量要求的整合时间。例如，功率计的实时采样率是500K样点/秒，读取速率约为每秒读取2000次。即使在-40dBm时，泰克泰克PSM3000功率计仍能在大约1 毫秒内进行稳定测量。PSM4000和PSM5000功率计可以在大约250μs内，在动态范围低端获得稳定测量。在相同功率电平上，普通传感器的典型稳定时间一般在1-4秒。在评价功率传感器的测量速度时，最好对照比较这些传感器，而不是单纯看产品技术资料。

触发——对大多数基本功率测量来说，触发并不是一种关键功能。但是，如果您需要在脉冲式信号的某个部分上进行测量，或想努力缩短高吞吐量ATE系统的测试时间，那么触发是需要考虑的一个重要因素。基本功率传感器触发通常由外部TTL 输入组成。这可以用来把功率测量与其它仪器同步，如信号发生器、网络分析仪、示波器或其它功率传感器。在自动化测试应用中，外部同步测量的能力对缩短测试时间、最大限度地提高吞吐量至关重要。功率计包括一个触发输入和一个触发输出，优化了测试速度。这个触发输出可以告诉您传感器什么时候执行测量，并把这些信息传送给沿线的其它仪器。

新型传感器还提供了更加先进的功率电平触发功能。这些传感器可以相对于输入RF信号实现测量同步。在测量脉冲式信号，进行突发测量时，这种触发非常重要。我们将在本应用指南“突发测量和脉冲曲线”部分进一步对此展开探讨。

测量功能
为应用选择适当的功率传感器明显取决于您需要测量的信号特点。但在某种程度上，您可以经济地测量的项目也可能会引导您的测试战略。传感器的测量功能包括基本平均功率测量直到您希望从矢量信号分析仪或专用脉冲分析仪中看到、但可能没有预期从功率传感器中看到的详细脉冲特点。

平均功率测量
大多数功率计能够在连续(CW)信号上提供准确的平均功率测量功能。这些常见信号拥有恒定的幅度和频率。它们相对并不复杂，大多数USB 功率传感器都能执行平均功率测量。图3是连续波信号实例。所有功率计都能准确地测量平均功率。尽管所有USB 功率传感器都能测量平均功率，但有一个子集，其平均功率测量称为“真实平均功率”或“真实RMS”。

什么是真实平均功率测量？

真实平均功率测量提供传感器上发生的总功率，而不管输入信号的调制带宽是多少。可以使用带有热量检测单元或在平方律区域内使用二极管检测器，来测量真实平均功率。热量传感器根据RF能量产生的热量生成真实平均功率测量数据。真实平均功率二极管检测器包括整合检测器收到的能量使用的电容，进而获得近似于热量传感器获得的测量数据。

由于泰克泰克PSM3000功率计是真实平均功率传感器，因此它们特别适合在宽带调制信号上执行测量，可以测量传感器输入上发生的所有RF能量，而不管功率是脉冲式的、CW、AM/FM、还是采取复合调制格式。

测量脉冲式RF 和微波信号
选择传感器分析脉冲式信号带来了更广泛的一套备选方案和某些额外的考虑因素。脉冲式信号在RF应用中非常流行，如在雷达及采用时间复用的数字通信格式中。

在测量脉冲式信号时，用户可能仍会关心整个信号的平均功率，但脉冲的特点变得更加重要。了解脉冲内部包含的平均功率和峰值功率，是检定功放及脉冲式系统中其它信号路径要素的关键组成部分。