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射頻功率量測原理 (一) - 如何偵測射頻功率？

射頻功率量測原理 - 如何偵測射頻功率？

在現今的無線世界中，透過 射頻 (RF) 訊號的發送與接收，有效地傳遞資料並促進無線通訊的實現，在 RF 設計需要考量的所有參數中，功率量測始終是設計師與操作人員最關鍵的指標之一，隨著現今複雜調變方案、脈衝通訊模式的普及，以及無線裝置數量的增加，精準且高效地量測 RF 功率，對於發揮通訊系統及元件的最佳效能變得至關重要，例如，設計驗證、符合法規標準、遵守安全限制以防止高功率射頻輻射的危害、確保系統效率以及元件保護等情境，都仰賴精準的 RF 功率量測。

由於 RF 功率量測是無線技術設計與開發的首要任務，因此理解測試儀器實際量測 RF 功率的方法就顯得格外重要，其原理始於一種稱為二極體 (Diode) 的電子元件，二極體被定義為一種半導體裝置或元件，其特性是讓電流輕易地單向導通，同時嚴格限制反向電流的通過，運用二極體的 RF 功率感測器，會利用高頻半導體二極體來偵測橫跨於終端負載電阻上的 RF 電壓，此種感測器直接執行 AC 至 DC 轉換，並將轉換後的訊號傳遞至功率計，再由功率計進行量測並校準此 DC 電壓，最終產生功率讀值（如圖 1 所示）。


圖一、此為一個典型的二極體射頻功率偵測電路，採用電壓倍增器架構；輸入訊號經由 50Ω 終端電阻（RTERM）進行阻抗匹配，再透過二極體與電容組成的電路進行整流濾波，將高頻 RF 訊號轉換為與輸入功率相對應的 DC 電壓（Vout）進行量測。


DC 電壓與所測得功率之間的關係，取決於二極體的操作區間，通常可劃分為三個區域，分別是平方律區、轉換區與線性區（如圖 2 所示）。
 


圖二為二極體偵測器的典型響應曲線，呈現輸出電壓 Vout 與輸入 RF 功率的關係；圖中劃分三個操作區間：平方律區（藍色, < -20 dBm），Vout 與功率成正比；線性區（黃色, > 0 dBm），Vout 與電壓成正比；以及介於兩者間的轉換區（綠色）。
  • 平方律區 (Square-law region)：
    在功率位準低於約 -20 dBm 時，二極體產生的 DC 輸出電壓與所施加的 RF 電壓平方成正比，因此該區間被稱為二極體感測器的「平方律區」，這種現象的發生，是因為輸入的 RF 訊號強度不足以使二極體在順向偏壓下完全導通，導致其行為模式如同非線性電阻，此區域同時具有調變獨立性的特點，意即即便存在調變訊號，其平均 DC 輸出電壓仍會與平均 RF 功率成正比，因此，只要封包 (峰值) 功率始終維持在二極體的平方律區範圍內，二極體感測器便可用於量測調變訊號的平均功率，專門在此區域運作的感測器被稱為真實平均功率感測器或 RMS 功率感測器。
  • 轉換區：
    二極體感測器的轉換區存在於平方律區與線性區之間，範圍約為 -20 dBm 至 0 dBm，在此轉換區域中，要獲得精確的功率讀值，則需仰賴對二極體響應的精細校準。
  • 線性區：
    當功率超過 0 dBm 時，即進入線性區（或稱「峰值偵測」區），在此區間 DC 輸出電壓與 RF 電壓成正比，在此模式下，二極體在每個載波週期皆進入順向導通狀態，並透過平滑電容維持其峰值 RF 電壓，此時感測器的行為相當於一個峰值偵測器（也稱為封包偵測器），其 DC 輸出電壓將等於峰對峰 RF 輸入電壓減去兩倍的二極體壓降。

RF 產品設計、系統整合與維護，皆仰賴精確且可靠的 RF 功率量測，除了無線通訊領域，RF 測試設備在半導體、軍事、航太及醫療產業中也扮演著關鍵角色，其應用場景涵蓋雷達、航空電子、電子作戰、衛星網路，以及 EMI / EMC 等多種情境，作為高效能 RF 與微波測試量測解決方案的領導者，Boonton 憑藉其豐富的產品組合，包括峰值與平均 RF 功率計、即時 USB 功率感測器及連接式 USB 功率感測器，能夠提供 RF 設計中不可或缺的關鍵功率指標。

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