基于二极管检波的功率测量技术研究

如果要实现大动态范围平均功率的准确测量，可以采用随后介绍的二极管级联技术。

为了满足大动态范围内调制信号及窄脉冲信号平均功率的测试需求，近年出现了多路径、多二极管平均功率探头[2]。其核心思想是利用二极管级联技术向上拓宽平方律检波区，并将整个动态范围分为多个测量路径，使每个路径内的二极管堆栈都能工作在平方律区，从而实现宽动态范围内平均功率的精确测量，并且无需考虑信号带宽的限制。其典型原理框图如图3所示。

峰值功率测量通道典型原理如图4所示，二极管输出的检波信号首先进入低噪声前置放大器，经滤波和带宽控制后一路进入后置放大电路，然后进入高速ADC进行数模转换，另一路进入触发和精密内插电路，通过比较电路产生同步触发时钟信号，最后由DSP或CPU 完成数据的补偿和信号处理，实现功率脉冲各种时域参数[3]的自动测量和统计分析，并最终显示给用户。

在实际应用中，为了提高仪器的动态范围，常常根据检波信号的大小，利用开关电路将信号进行高低量程切换，即将信号分为两路，分别经不同放大电路进行处理，或者直接采用大动态范围对数放大电路放大检波信号，这既保证了小信号的测量灵敏度，又保证了大动态范围，最后再由ADC将转换结果传给DSP进行量程识别和处理。为了以较低的采样速率获得较高的重复信号测量带宽，现代峰值功率测量仪器常采用随机采样技术，利用精密内插电路，大大提高了脉冲功率测量的时间分辨率，可进行纳秒级上升时间和脉冲宽度等时间参数的测量。

3、复杂调制信功率测试的新需求

得益于半导体和计算技术不断发展，二极管逐渐成为传感功率的主要元件，平衡配置的二极管检波探头的视频带宽可达100MHz，其技术已相对成熟，技术更新日趋减缓。基于此，功率测量的发展重点集中在对新兴数字调制信号的测量与分析以及测量设备的小型化和模块化上。

一方面，随着数字通信技术的迅猛发展，涌现出大量的数字矢量调制技术[4]，如PSK、8-PSK、GMSK、16QAM、pi/4-DQPSK等，这些信号已经逐渐从早期对载波的幅度调制，过度到对载波相位和幅度的综合调制。现代通信常常采用复用和多址技术，在时域上，这些信号的功率包络也从简单的周期性脉冲信号过渡到占空比和脉冲功率同时变化的信号，有的甚至没有明显的脉冲包络，时域波形与随机噪声非常类似（如CDMA、WLAN 802.11a），并且具有超过50dB的峰均功率比。这些新型调制技术对仪器的视频带宽、动态范围、实时采样速率提出了更高的要求，同时要求仪器能够实现多种触发功能，从而可以自动识别帧模式信号的有效载荷，并结合特定的数据统计和处理方法分析信号的功率特性，如PDF（概率密度函数）、CCDF（互补累积分布函数）等统计分析工具。

以TD-SCDMA为例，TD-SCDMA是我国提出的一种移动通信标准，该技术综合应用了频分、时分和码分多址技术，其时分技术允许基站和移动终端分时使用同一个频带，码分多址技术允许16个用户共享一个时隙，其典型时域波形如图5所示。图中3个有效时隙的功率电平和峰均功率比各不相同，并且各个时隙的功率电平表现为类似噪声的信号，因此在测量TD-SCDMA信号时，必须能够准确测量各个时隙的时间宽度、上升时间、下降时间，各时隙的峰值功率、平均功率和峰均功率比，并利用统计分析功能检查各有效时隙是否存在元件非线性引起的削波或压缩现象。在测量此类信号时，必须保证30MHz以上的视频带宽，采用100MSPS以上的采样率和大于50dB的动态范围，采用时间门或标记功能对有效载荷进行独立的功率测量和功率统计分析，这样才能实现对数字调制信号的正确测量和分析。

微波功率测量仪器在向宽动态范围、大视频带宽和高采样速率发展的同时，还逐渐向小型化和模块化方向发展。目前， VXI微波功率测量模块已经获得普遍应用，PXI功率测量模块也已经进入市场。由于部分探头内部采用高稳定的直流参考电路，已经不需要校准源进行线性校准，这使得基于USB接口的平均功率探头开始出现，这种设计方案不需要功率计主机，无需频繁利用校准源进行校准，功率探头直接或经过适配器连接到计算机、PDA或其他测量仪器的USB主机接口，主机利用内部主控软件即可实现功率显示和参数设置，这大大缩减了测试步骤，非常利于搭建自动测试系统。相信随着信息技术的不断发展，具有多种触发功能的USB峰值功率探头和具有显示和小键盘输入的手持式功率测量设备也将出现，这无疑会极大方便现场测试应用和测试系统的组建。

4、结束语

二极管功率检波具有较好的灵敏度和动态范围，并且能够快速响应信号的包络变化，已经逐渐取代热敏电阻和热电偶成为传感微波功率的主要手段。现代峰值功率测量仪器采样速率可达到100MSPS，通道带宽达到30MHz，最小可测脉冲宽度达10ns，动态范围一般超过50dB，甚至达到60dB[1,5]，可进行多种脉冲功率参数的测量，如峰值功率、平均功率、顶部幅度、底部幅度[3]、上升时间、下降时间、脉冲宽度、占空比、脉冲重复频率等。

在实际应用中，为了准确测量射频和微波功率，必须在掌握被测信号特性和测试需求的基础上，了解功率探头检波特性、主机测量通道及数据分析和处理能力。特别是在数字矢量调制信号的功率测量应用中，必须根据信号频率范围、功率范围、功率电平、信号的频谱功率总量以及调制形式等因素，在明确测量不确定度的基础上，选择恰当的功率测量解决方案。