В данной статье рассмотрены основные методы измерения мощности высокочастотных сигналов. Статья не несет в себе глубокой технической новизны, а рассматривает уже известные науке методы измерения и контроля мощности, и группирует их по основным параметрам.
Ключевые слова: измерение, мощность, сигнал, метод, высокочастотный сигнал.
Одно из важнейших мест в любой инженерной практике занимают измерения. Широкое и повсеместное использование радиоэлектронных устройств на основе цифровой обработки и передачи сигналов несет в себе необходимость в диагностировании их технического состояния. В первую очередь это определение качества передачи сигналов по каналу связи.
Задача измерения мощности может возникать во всех диапазонах частот, применяемых в радиотехнике. На низких и высоких частотах для описания процессов в радиотехнических цепях используют ток и напряжение. В тех редких случаях, когда необходимо определять мощность, ее удобно измерять косвенным образом — по результатам прямых измерений тока, напряжения и сдвига фаз между ними. Если сопротивление нагрузки чисто активно, то достаточно измерить ток или напряжение. В этом случае измерительный прибор можно проградуировать в единицах мощности.
Для прямых измерений мощности применяют ваттметры, основанные на перемножении мгновенных значений тока и напряжения. На низких частотах для перемножения можно использовать ферродинамические приборы, на высоких частотах получили распространение различные электронные устройства.
В то же время, на основе измерения напряжения и тока неприемлемы в СВЧ диапазоне. Это обусловлено различием напряжения и тока в нагрузке от напряжения и тока в тракте передачи сигнала. Помимо этого, в данном диапазоне частот сами измерители оказывают искажающее влияние на цепь, в которой проводится измерение. В связи с этим, используются методы на основе преобразования электромагнитной энергии в другие виды, которые менее подвержены искажениям в процессе измерений, например тепловую.
- Термоэлектрический метод
В датчиках на основе теплового излучения, входящий сигнал повышает температуру оконечной нагрузки. Данное изменение температуры можно измерить напрямую, либо косвенно, после чего определенным образом можно измерить входную мощность сигнала.
В болометрах (тепловых датчиках на основе термисторов) в качестве оконечной высокочастотной нагрузки используется термоэлемент, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Это позволяет измерять температуру термоэлемента путем измерения его внутреннего сопротивления.
Рис. 1. Схема термисторного датчика
Принципиальная схема термисторного датчика представляет собой мост Уитстона в углу которого размещается термистор. Для управления всем мостом, а также с целью усиления входного сигнала используют схему автоматической балансировки.
Управляемый ток смещения подается на мост и нагревает термистор до тех пор, пока сопротивление термистора не станет равно сопротивлению других резисторов моста. Как только сопротивление резисторов и термистора уравнивается наступает уравновешенное состояние моста.
Мощность, рассеиваемая на термоэлементе, представляет собой не только мощность высокочастотного сигнала, но мощность от подачи управляемого тока смещения. Необходимая мощность высокочастотного сигнала может быть рассчитана путем вычисления эталонной мощности термоэлемента, при отсутствии воздействия высокочастотного сигнала, из общей мощности, рассеиваемой на термисторе. Учитывая, что при уравновешенном состоянии моста, мощность управляемого тока смещения вычисляется как одна четвертая общей мощности моста, которая в свое очередь вычисляется как произведение напряжения на мосте и тока, протекающего через мост.
Оставшиеся резисторы моста имеют малые температурные коэффициенты сопротивления, ввиду чего их можно не учитывать при расчете мощности, рассеиваемой на термисторе.
Рис. 2. Функциональная схема болометра
Зачастую, в измерителях мощности на основе термисторов используются сразу два идентичных моста с термисторами. Первый мост, как было рассмотрено ранее, используется для измерения мощности высокочастотного сигнала, а второй для контроля температуры окружающей среды.
Еще одним типом измерителей мощности на основе теплового излучения являются приборы с использованием термопары в качестве согласованной нагрузки.
В таких приборах, высокочастотный сигнал подается на согласованную нагрузку термопары. Повышение температуры обусловлено механическим переходом между двумя разнородными металлами. В данном переходе формируется повышенное напряжение в ответ на градиент температуры через каждый металлический сегмент. Так как данное напряжение весьма мало — порядка нескольких милливольт на десять градусов Цельсия, то с целью увеличить выходное напряжение, наиболее часто в термопарном датчике соединяют сразу несколько термопар. Термопары последовательно располагаются друг за другом и таким образом формируют термоэлектрическую батарею.
Как и в случае с термисторами, термоэлектрическая батарея так же формирует высокочастотную нагрузку, поэтому батарея подключается таким образом, чтобы высокочастотный сигнал проходил только по одному концу каждой термопары. Это условие выполняется за счет емкостных связей, возникающих на высокой частоте, при поддержании связи по постоянному току выходного сигнала.
Из-за задержек теплового потока, входное напряжение на датчике мощности имеет относительно высокую временную постоянную, а так же линейную зависимость от входной мощности. Иными словами, показания на термодатчике пропорциональны среднему значению мощности высокочастотного сигнала. Поэтому термопарные датчики чаще других используются для измерения уровня мощности модулированного сигнала.
- Диодные датчики высокочастотной мощности
В диодных датчиках для обнаружения напряжения высокочастотного сигнала на резисторе оконечной нагрузки используются полупроводниковые диоды. Диоды преобразуют переменное напряжение тока в постоянное, которое регистрирует измеритель мощности и масштабирует для формирования показания уровня мощности. Однако измерение мощности по напряжению требует более детальных процедур по согласованию, чтобы исключить изменение импеданса оконечной нагрузки, что может привести к ошибкам измерения. Для этого к выходу диода подключается сглаживающий конденсатор, который преобразует пульсирующее напряжение постоянного тока в напряжение с установившейся амплитудой. Напряжение на выходе диодного детектора при низком уровне сигнала пропорционально его мощности, а при высоком уровне сигнала пропоционально пиковому напряжению высокочастотного сигнала.
Опытным путем было установлено, что если пиковое напряжение несущей высокочастотного сигнала ниже 30мВ, то диоды функционируют как нелинейные резисторы, так как уровня мощности недостаточно для полного открытия диодов в прямом направлении. Выходной сигнал при этом почти пропорционален квадрату подаваемого высокочастотного напряжения. Такая область характеристики диодного датчика называется «областью квадратичного детектирования». При работе в этой области, даже при наличии модуляции, средний уровень мощности высокочастотного сигнала будет пропорционален среднему выходному напряжению постоянного тока.
Таким образом, если пиковая мощность все время находится в области квадратичного детектирования диодов, то диодный датчик можно использовать и для измерения среднего уровня мощности модулированного сигнала.
Рис. 3. Схема диодного датчика мощности
При уровне сигнала выше 0 дБм (пиковое входное напряжение 300 мВ) диоды переходят в состояние полной проводимости в прямом направлении в каждом периоде несущей, а пиковое напряжение высокочастотного сигнала удерживается сглаживающими конденсаторами. В этой области характеристики датчик функционирует как пиковый детектор, или как его еще называют «детектор огибающей модулированного сигнала», а выходное напряжение постоянного тока будет равно удвоенной амплитуде входного высокочастотного сигнала минус удвоенное падение напряжение на диоде в прямом направлении. Эта область характеристики диодного датчика называется «областью обнаружения пиковых значений». При работе в этой области среднее выходное напряжение постоянного тока будет пропорционально пиковому уровню высокочастотного напряжения.
«Область квадратичного детектирования» и «область обнаружения пиковых значений», а также «переходная область» между ними (обычно приблизительно от -20 дБм до 0 дБм), в измерителе уровня мощности должны быть линеаризованы. Этот процесс линеаризации не представляет никаких трудностей для современных измерителей уровня мощности.
Несмотря на высокую чувствительность и простую линеаризацию, которые достигаются за счет применения цифровых методов обработки, при модуляции возможна перегрузка диодных датчиков, если пиковая амплитуда сигнала превышает верхнее предельное значение области квадратичного детектирования. При наличии высокоуровневой модуляции амплитуда высокочастотного сигнала переходит в область обнаружения пиковых значений диодного детектора. В этой ситуации выходное напряжение детектора будет быстро подниматься до максимальных пиковых значений и затем медленно опускаться при падении уровня сигнала. Поскольку входной сигнал может иметь любую амплитуду во время падения напряжения конденсатора, больше невозможно будет определить эффективный средний уровень мощности модулированного сигнала после того, как пиковый уровень ВЧ-мощности перейдет в область обнаружения пиковых значений диода.
Решить данную проблему можно путем загрузки детектора таким образом, чтобы быстрее уменьшался уровень выходного напряжения. Сделать это можно за счет уменьшения сопротивления нагрузки, подключенной после диодов
Если выходной сигнал датчика точно отслеживает огибающую модулированного сигнала без значительной задержки по времени или без эффекта фильтрации, то, как правило, можно выполнить надлежащую линеаризацию выходного сигнала в режиме реального времени. При необходимости, можно выполнить любую необходимую фильтрацию этого линеаризированного сигнала. Это предоставляет возможность достаточно быстродействующему диодному датчику точно измерять как среднюю, так и мгновенную мощность модулированных сигналов с любым уровнем мощности в динамическом диапазоне датчика. Такой тип датчика называют «датчиком пикового уровня мощности».
- Измерение амплитуды с использованием приемника
Еще одним способом косвенного измерения уровня высокочастотной мощности является метод «приемника»
Методика измерений аналогична той, что используется в обычных радиосистемах с амплитудной модуляцией. Входной сигнал в смесителе преобразуется с понижением до промежуточной частоты. На выходе смесителя представлены результаты суммы и разности частоты гетеродина с входящим высокочастотным сигналом. Далее промежуточная частота подается на каскад усилителей и фильтров и после подстроения промежуточная частота оцифровывается, либо предварительно демодулируется.
Некоторые измерительные приборы, например анализаторы спектра, могут регулировать, параметры настройки цепи приема, такие как разрешении (ширину) полосы частот или частоту настройки. Это обеспечивает дополнительную «гибкость», когда необходимо оценить спектральный состав сигнала.
Основная причина этого заключается в том, что измерения с использованием приемника не являются измерениями уровня мощности в полном смысле этого слова, а скорее являются измерениями абсолютной амплитуды составляющей напряжения сигнала в конкретном диапазоне частот. Этот способ узкополосных измерений, или способ настраиваемых измерений, очень отличается от широкополосных измерений уровня мощности с использованием датчика; и выводимый результат часто не совпадает с результатом измерения фактического уровня мощности.
Рис. 4. Схема типового приемника
Измерение амплитуды ВЧ-сигналов с использованием монолитных интегральных схем
С развитием сетей передачи данных, все больше возникает необходимость в различного рода схемах мультиплексирования, которые предостовляют возможность нескольким устройствам в сети одновременно использовать один и тот же канал передачи данных. Многие из этих протоколов требуют от устройств связи точного контроля и управлении своей передаваемой мощностью. Данное требование обусловлено тем, чтобы сигнал какого-либо одиночного устройства не преобладал над другими в составном сигнале приемника базовой станции.
За счет выполнения процедуры выравнивания амплитуд принимаемых сигналов от всех мобильных передатчиков базовая станция может разделять отдельные сигналы.
Из-за необходимости выполнения этого требования возникло семейство интегральных схем, предназначенных для текущего контроля амплитуды высокочастотных сигналов в режиме реального времени. Существует несколько различных типов интегральных схем, которые были представлены за последние годы, в том числе аналоговые множители, детекторы истинного среднеквадратичного значения напряжения, демодулирующие логарифмические усилители, а также специализированные интегральные схемы индикации уровня принимаемого сигнала (RSSI). Все вышеперечисленные интегральные схемы содержат «быстрый» входной каскад высокочастотных сигналов и выводят постоянное напряжение, которое пропорционально амплитуде входного сигнала.
Эти интегрированные решения обычно имеют низкую стоимость и зачастую характеризуются нелинейной амплитудно-частотной характеристикой. Практически всегда эти схемы не калибруются и обычно предназначены для конкретного варианта применения. Кроме того, большая часть этих схем выполняет функцию измерения напряжения, а не функцию обнаружения действительного уровня мощности, хотя надлежащая входная схема может принять сигнал таким образом, чтобы мог быть вычислен эквивалентный уровень мощности. По этим причинам интегральные схемы обнаружения высокочастотных сигналов ограничены по своим возможностям использования для измерений мощности общего назначения.
Литература:
- Дворяшин Б. В., Кузнецов Л. И. Радиотехнические измерения — Москва, Советское радио,1978. 360 с.
- John G. Webster, Halit Eren Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook — Boca Raton, CRC Press, 2014. 1921 с.
- Дансмор Д. П. Настольная книга инженера. Измерения параметров СВЧ-устройств с использованием передовых методик векторного анализа цепей: пер. с англ. — М.: Техносфера, 2018. — 735 с
