射頻功率量測原理 (二)：剖析二極體偵測器量測 RF 功率的運作方式
RF 功率量測在許多層面都扮演著關鍵角色，包括無線設計驗證、提升系統效率與效能、滿足法規與安全標準，以及應對眾多獨特應用場景的測試與量測 (T&M) 需求；隨著現代通訊系統廣泛採用數位調變方法與脈衝模式，對於精準、可靠且高效的 RF 功率量測需求，在下一代系統的開發中持續增長；在下文內容中，我們將一同探討運用二極體偵測器的 RF 功率測試設備的基礎原理，並以 Boonton 的高效能產品作為範例進行說明。
運用二極體偵測器的射頻測試儀器
工程師可透過多種技術來量測 RF 功率，例如：熱感式 RF 功率感測器、接收器振幅量測、RF 取樣技術，以及運用二極體偵測器的感測器，每種類型的感測器對於頻率範圍、可接受的輸入功率位準範圍、結果準確度以及其運作速度，皆會產生特定的影響；我們將聚焦於運用二極體偵測器的測試設備。
二極體是半導體裝置或元件，它們可以導通或阻止電流的流動，運用二極體的功率感測器利用高頻二極體將 RF 訊號進行整流 (rectify)，轉換為一個 DC 電壓訊號，此電壓與 RF 訊號的振幅成正比，並在靠近訊號源的位置被擷取，諸如 RF 功率計等儀器，便可量測並校準此 DC 電壓，以呈現所需的功率量測結果。
DC 電壓與功率結果之間的關係，取決於二極體是運作在平方律區、轉換區或線性區（圖 1）。
圖 1：Boonton 功率量測海報是擷取與分析 RF 及微波功率的首選參考指南，其中包含關於 RF 功率偵測的章節。
感測器可歸類於不同範疇，例如峰值或平均功率感測器。
峰值功率感測器具有一個小型平滑電容，並在平滑電容兩端使用一個低阻抗負載，以便在 RF 振幅下降時能快速放電，這表示峰值功率感測器能夠提供極快的上升時間與寬廣的影像頻寬，以 Boonton RTP5000 系列感測器為例，它在 RF 與微波峰值功率量測方面具備領先的效能，提供小於 3 奈秒 (ns) 的上升時間與 195 MHz 的影像頻寬，其額外特點包括自動脈衝功率量測、CCDF (互補累積分布函數) 與峰值因數統計分析，以及多通道功能。
另一方面，Boonton RTP4000 系列則提供真實平均 RF 功率量測，其頻率範圍可低至 4 kHz，且幾乎沒有調變頻寬的限制，平均功率感測器運作於平方律區，在此區域，其 DC 輸出電壓與所施加之 RF 電壓的平方緊密成正比，因此，即使存在調變訊號，這些感測器仍能提供精確且可靠的平均功率量測結果。
RTP5000 與 RTP4000 這兩個系列的感測器都將量測速度推向極致，Boonton 的 RTP 系列 RF 功率感測器採用一種稱為即時功率處理 (Real-time Power Processing, RTPP) 的獨特平行處理方法，此技術驅動了每秒 100,000 次的量測速率，且無任何時間延遲 (zero dead time)。
這兩個系列的感測器都可以透過 USB 直接連接，使用者可以輕易地將它們連接至一台裝有分析軟體（如 Boonton Power Analyzer）的個人電腦，以檢視和解讀量測結果；對於偏好專用桌上型儀器操作體驗的使用者，USB 感測器也可以連接至桌上型功率計，而非個人電腦，Boonton PMX40 RF 功率計正能提供這樣的體驗，它結合了桌上型儀器的實用性、USB RF 功率感測器的效能與彈性，以及一個觸控螢幕顯示器（圖 2）。
圖 2：Boonton PMX40 RF 功率計
傳統上，類比感測器與桌上型系統搭配使用，提供一個類比訊號，然而，此種輸入方式會因溫度引起的變化而需要進行校準，相較於此方法，USB 功率感測器更具優勢，因為它們在感測器內部已整合了偵測、數位化處理與溫度補償功能，從而免除了校準的需求。