芯耀
1006
功率电平是射频发射器的一个重要参数。在无线通信中，我们可能会觉得功率越大越好，但现代无线系统需要精确控制功率电平，以避免对系统中的其他节点产生不必要的干扰，并最大限度地延长电池续航时间。我们需要了解发射器的功率电平并对其进行精确控制。
功率的基本单位是W，它对应着能量传输的速率，1W等于每秒一焦耳。功率测量值通常用dB来表示，其中dBW是以1W为参考值，而dBm是以1mW为参考值。
一、连续波（CW）信号测量
最基本的功率测量是确定稳定连续波（CW）信号中存在的功率。图1展示了经典的射频功率计是如何配置的。关键部件是功率传感器，它会产生一个与信号中存在的功率成比例的直流电压。有各种各样的传感器技术可用于功率测量，包括热敏电阻、热电偶和二极管检波器。仪器供应商通常会提供多种功率传感器供选择，这些传感器在频率范围、灵敏度、动态范围和成本方面各不相同。传感器的输出通常只是一个直流电压，由电压表电路进行测量，并在显示屏上呈现给用户。图中所示的处理器可以对功率读数进行测量校正和分析。
图1. 一台经典的射频功率计测量连续波射频信号的功率。
图1是通用示意图，经典的射频功率计是一种小型台式仪器，可连接不同类型的功率传感器，并显示测量结果。如今，我们也有带USB接口的紧凑型功率传感器（图2），可连接到计算机上，计算机则充当我们的处理和显示设备（图3）。功率传感器还可以连接到诸如频谱分析仪或网络分析仪等大型测试设备上，以增强这些设备的测量能力。
图2. 带USB接口的功率传感器（图片来源Keysight）。
?图3. 带USB接口的功率传感器需要配合相应处理软件（图片来源Keysight）。
有些功率传感器仅能测量连续波信号，但大多数能够测量更为复杂的信号。在无线通信中，各种类型的调制波形都很重要，而且大多数功率传感器能够准确测量这些信号的平均功率。请注意，这些测量本质上是宽带测量，因此信号中存在的所有成分（载波、谐波、调制信号、噪声）都会包含在测量结果中。
二、脉冲射频信号测量
如果信号稳定，并且我们只想知道平均功率电平，那么简单的射频功率测量无需特别快的速度。然而，对于更为复杂的信号，我们可能还会对其动态功率特性感兴趣。图4展示了对脉冲射频信号的测量。在这种情况下，功率传感器必须足够快速地做出响应，以跟踪信号功率。传感器的输出为p(t)，这是一个与信号平均功率成比例的电压，是时间的函数。该信号由ADC采集，由处理器进行处理，并由功率计显示出来。图3同样是通用示意图，处理器和显示功能可以由专用仪器完成，也可以由计算机来完成。
图4. 峰值功率计可以测量脉冲射频信号的功率。
功率计跟踪脉冲射频信号的速度存在一定限制。这通常用功率计的视频带宽来描述，它指的是传感器之后系统的带宽。功率计可能还会规定测量的最小上升时间和下降时间。
在获取了p(t)之后，我们可以将其视为一个脉冲波形，并从中提取波形参数。图4展示的脉冲波形边缘清晰规整，但图5呈现的是更符合实际情况的波形，包含了有限的上升/下降时间和过冲现象。与高速数字测量类似，我们可以从功率波形中计算出标准的波形特征。
图5. 这张瞬时功率图展示了信号功率的各种参数。
峰均功率比可根据波形的峰值功率和平均功率计算得出。脉冲重复间隔，也称为脉冲重复时间，指的是脉冲之间的时间间隔。脉冲重复频率，或脉冲重复率，是脉冲重复间隔的倒数。
峰值功率计能够捕捉信号在特定时刻的功率。这通常需要一个触发系统，以确保测量时间可控且可重复。
三、宽带与窄带信号测量
图1和图4中所示的功率计是宽带设备，可测量传感器整个频率范围内的功率。图4中的系统能够评估信号在特定时刻的情况，并计算各种波形参数。不过，功率传感器始终是在测量宽频谱范围内的功率。
图6展示了一个包含多个频率成分和噪声的射频信号的频域表示。宽带功率传感器会测量信号中所有频率的功率，包括谐波、调制边带、杂散响应和噪声。
图6. 功率测量可以是宽带的，也可以是窄带的，这取决于功率计的类型和应用场景。
相比之下，窄带功率测量聚焦于某一特定的频段，以测量该频段内的功率。如图6所示，我们可以使用窄带测量来获取某一条频谱线（例如载波频率）的功率。这种类型的测量会忽略功率传感器输入端存在的其他频率。
图7展示了一个频率选择性功率传感器的框图。这种测量设备类似于频谱分析仪中使用的调谐接收器。输入信号与本地振荡器进行混频，产生一个较低频率的信号，该信号经过采样和数字处理以实现所需的测量。你可以选择测量的频率和带宽，从而在功率传感器的能力范围内进行任意所需的窄带测量。
图7. 频率选择性功率传感器的方框图
缩小频率范围可提高仪器的灵敏度。宽带噪声会被抑制，测量的有效本底噪声会大幅降低。窄带测量能力还支持与频率相关的测量。例如，临道功率比（ACPR）就是一项重要且常见的无线测量指标（图8）。
图8. ACPR指标
ACPR是指在指定信道（主信道）的发射功率与相邻信道（邻道）内泄漏或产生的无用功率之比。使用窄带测量时，仪器必须捕获相邻信道的功率，并将其与期望信道的功率进行比较。ACPR通常使用频谱分析仪进行测量（图9），但也可以用频率选择性功率计来测量。
图9. 频谱仪对ACPR的测量
那么，哪种功率测量方法更好呢：宽带测量还是窄带测量？这取决于你要测量的参数。如果你想捕获信号中的全部功率，就使用宽带测量。如果你想有选择地测量特定频率，那就选择窄带测量设备。有些仪器既可以进行宽带测量（使用传统功率传感器），也能进行窄带功率测量（使用类似频谱分析仪的接收器）。
结论
乍一看，射频功率测量似乎很简单：只需将功率计和传感器连接到被测试的信号上，然后读取结果即可。但实际上，我们需要关注功率传感器和功率计的各项技术指标。当我们测量峰值功率和其他动态特性时，这一点尤为重要。窄带功率传感器的出现带来了更大的测量灵活性，同时也模糊了射频功率计测量和频谱分析仪测量之间的界限。
