Jak mierzona jest moc RF z wykorzystaniem mierników mocy RF?

W dzisiejszym świecie wiele urządzeń elektronicznych korzysta z możliwości bezprzewodowej komunikacji przy użyciu sygnałów radiowych. Wśród wielu parametrów, które należy uwzględnić przy projektowaniu systemów komunikacji bezprzewodowej jest też moc sygnału RF.

Pomiary mocy RF staja się więc jednym z krytycznych pomiarów dla projektantów elektroniki oraz inżynierów. Dzisiejsze urządzenia nadawcze i odbiorcze korzystają z skomplikowanych systemów modulacji oraz z systemów komunikacji impulsowej. Zwiększona popularność urządzeń bezprzewodowych i potrzeba dokładnego i efektywnego pomiaru mocy RF stała się kluczowa do uzyskania optymalnej wydajności komponentów komunikacyjnych. Jako przykład możemy przytoczyć wymagania prawne dotyczące ograniczeń mocy w celu ochrony człowieka przed zbyt dużą mocą promieniowania RF, sprawnością systemu i emisją do innych urządzeń w danym systemie.

Ponieważ pomiary mocy w zakresie fal radiowych stanowią najwyższy priorytet w projektowaniu i rozwoju sieci bezprzewodowych ważne jest aby zrozumieć, jak instrumenty testowe rzeczywiście mierzą moc RF.

Układ pomiarowy

Wszystko zaczyna się od elementów dyskretnych znanych elektronikom oraz inżynierom jako diody prostownicze, które są definiowane jako półprzewodnikowe elementy pozwalające na swobodny przepływ prądu w jednym kierunku, ale poważnie ograniczające przepływ prądu w przeciwnym. Diodowe czujniki (lub inaczej głowice) mocy RF wykorzystują niniejsze diody półprzewodnikowe (przeznaczone do pracy przy wysokich częstotliwościach) do wykrywania napięcia RF wytwarzanego przez rezystor obciążenia znajdujący się na końcu. Dochodzi więc do konwersji prądu przemiennego na prąd stały oraz pomiaru napięcia stałego (odpowiednio przeskalowanego), w celu uzyskania odczytu mocy (rysunek 1).

Stosunek napięcia stałego do zmierzonej mocy zależy od specyficznego regionu działania czujnika, który jest podzielony na trzy obszary (rysunek 2)

• Square law region,
• Transition region,
• Linear region.

Rysunek 2 Regiony pracy głowicy mocy RF

Dla „Square law region” przy poziomach poniżej -20 dBm sondy wytwarzają napięcie wyjściowe (na rezystorze pomiarowym), które jest proporcjonalne do kwadratu przyłożonego napięcia RF. Dzieje się tak, ponieważ moc wejściowa RF nie jest wystarczająco „duża” aby spowodować, że diody w pełni będą przewodzić prąd, co powoduje, że napięcie na rezystorach pomiarowych nie jest liniowe. Obszar ten jest również niezależny od modulacji, co oznacza, że średnia moc wyjściowa będzie proporcjonalna do średniej mocy RF, nawet w przypadku obecności modulacji. Dlatego też czujniki diodowe mogą być wykorzystywane do pomiaru średniej mocy modulowanego sygnału pod warunkiem, że moc obwiedni (szczytowa) pozostaje przez cały czas w niniejszym obszarze. Czujniki działające wyłącznie w tym regionie nazywane są czujnikami mocy średniej lub czujnikami mocy RMS.

Obszar „Transition region” jest obszarem przejściowym czujnika diodowego pomiędzy niniejszymi dwoma regionami w zakresie od około -20 dBm do 0 dBm. Dokładne odczyty mocy RF w tym obszar zależą od charakterystyki diody.

Powyżej 0 dBm w obszarze „ Linear region” (wykrywanie szczytowe) napięcie DC jest proporcjonalne do mocy RF. W każdym cyklu dostarczanego sygnału diody przewodzą, a szczytowe napięcie RF jest utrzymywane przez kondensatory filtrujące. W tym regionie czujnik zachowuje się jak detektor mocy szczytowej (zwany również detektorem obwiedni), a napięcie wyjściowe równe jest szczytowemu napięciu wejściowemu RF minus spadek napięcia z dwóch diod.

Pomiary mocy średniej czy szczytowej?

Terminy "mocy średniej i "mocy szczytowej" są często używane do wyrażenia pożądanych pomiarów, ale często mają one różne znaczenia dla różnych osób. Poświęćmy więc trochę czasu na wyjaśnienie nieporozumień i ustalenie terminologii, którą wszyscy możemy stosować wspólnie.

Podstawowym rodzajem pomiaru, który jest bardzo często wymagany jest pomiar mocy szczytowej. Jednak może to nie być jasne czy pożądana moc szczytowa jest pojedynczą wartością, która jest maksymalną amplitudą obwiedni mocy urządzenia, czy też jest to moc obwiedni sama w sobie. Moc obwiedni to zmiana amplitudy spowodowana modulacją lub zniekształceniami w funkcji czasu, uśredniona w jednym lub kilku cyklach sygnału nośnego RF. Moc obwiedni w funkcji czasu i jej maksymalną moc (szczytową moc obwiedni, znaną jako PEP) przedstawiono na rysunku 3 poniżej.

Rysunek 3 Rozróżnienie pomiędzy mocą obwiedni (niebieska), PEP (zielona), mocą średnią (czerwona) i mocą średnią impulsową (czarna).

Zdefiniowanie średniej mocy sygnału może być też nieco trudne do zdefiniowania, ponieważ średnia moc może mieć dwie różne definicje. Niektóre z nich mogą dążyć do uzyskania średniej mocy w pewnym przedziale, który obejmuje zarówno przerwy w transmisji, jak i przedział czasowy pomiędzy kolejnymi impulsami. Alternatywnie, można też wyznaczyć średnią impulsu sygnału, którą będziemy określać jako średnią moc impulsową.

Zastosowanie uzgodnionej terminologii do pomiarów mocy szczytowej i średniej będzie miało również pozytywny wpływ na dokładność związanych z tym obliczeń. Na przykład współczynnik szczytu jest parametrem interesującym w przypadku pomiarów sygnałów modulowanych i jest definiowany jako stosunek mocy szczytowej do średniej. Innymi słowy współczynnik szczytu to stosunek mocy szczytowej do mocy średniej (Współczynnik szczytu = PEP/Moc średnia) lub impulsu (Współczynnik szczytu = PEP/Moc średnia impulsowa).

Podsumowując czujniki mocy średniej wykorzystywane są do obliczania średniej mocy sygnału RF w całym przebiegu, natomiast czujniki mocy szczytowej mają możliwości wyzwalania pomiaru, co pozwala im na wykonywanie pomiarów sygnałów impulsowych, takich jak PEP i średniej mocy impulsu. Możliwy jest jednak pomiar mocy średniej impulsu sygnału za pomocą czujnika mocy średniej poprzez dwustopniowy proces obliczeniowy za pomocą równań poniżej:

• Okres powtarzania = Szerokość impulsu/PRI)
• Średnia moc impulsowa = Moc średnia/Okres powtarzania).

Dlaczego współczynnik Video Bandwidth jest ważny?

Aby dokładnie scharakteryzować sygnały zmodulowane lub impulsowe ważnym parametrem, który należy mieć na uwadze jest współczynnik Video Bandwidth (skrótowo nazywany VBW). VBW opisuje zdolność czujnika do śledzenia zmian sygnału w pomiarach mocy obwiedni.

Dla przypomnienia moc obwiedni jest definiowana jako zmiana amplitudy spowodowana modulacją lub zniekształceniami w funkcji czasu, uśredniona w jednym lub kilku cyklach sygnału nośnego RF – co czasami określane jest jako moc szczytowa. W związku z tym prawidłowe wykonywanie pomiarów zależy od szybkości zmiany amplitudy sygnału modulującego i musi być ona mniejsza od VBW.

Rysunek 4 poniżej przedstawia sygnał zmodulowany, impulsowy. Występują w nim szybkie zmiany amplitudy ze względu na impulsową naturę sygnału (czas narastania i opadania) oraz jego modulację. Jeżeli VBW czujnika jest zbyt małe niniejsze urządzenie nie będzie w stanie dokładnie śledzić przebiegu fali. Przejawia się jako błąd pomiaru, który ma wpływ nie tylko na mierzoną moc obwiedni i moc szczytową obwiedni, ale również na dokładność pomiarów średniej mocy RF. Detektor z odpowiednio wysokim współczynnikiem VBW minimalizuje błędy, gdyż urządzenie te będzie w stanie skutecznie śledzić przebieg.

Rysunek 4 Czujnik z ograniczonym VBW nie jest w stanie dokładnie śledzić sygnału impulsowego i zmodulowanego.

Współczynnik VBW czujnika wyznaczany jest na podstawie czasie reakcji obwodu pomiaru mocy (często charakteryzowany jako czas narastania czujnika). VBW i czas narastania są odwrotnie proporcjonalne. Powszechną zasadą jest relacja między VBW a czasem narastania sygnału:

VBW = 0,35/czas narastania (czas reakcji obwodu pomiaru mocy)

Dlaczego więc VBW i czas narastania jest aż tak ważny? Wybierając urządzenie z szerokim VBW zapewniamy sobie pewność dokładnych i niezawodnych pomiarów mocy RF. Dzisiejsze zaawansowane układy scalone i urządzenia Wi-Fi z architekturami MIMO (Multi Input – Multi Output) mają przepustowość kanałów wynoszącą do 160 MHz. Instrumenty takie jak Boonton RTP5000 zapewniają szybką, prostą i ekonomiczną pracę oferując najwyższy współczynnik VBW na rynku o wartości 195 MHz. Dobrym tez przykładem może być też model RTP5008 165 MHz VBW.

Mierniki Mocy RF marki Boonton

Firma Astat oferuje niniejsze rozwiązania służące do precyzyjnego pomiaru mocy RF. Sprawdź naszą ofertę na mierniki mocy RF marki Boonton

ASTAT EMC