从经典办法到集成功率探头
长期以来，功率计都是由功率计主机和经电缆衔接的外部功率探头组合在一同。在功率探头中射频信号被转化成电压信号，通过扩大，然后数字化，并在主机中显现。
此类功率计中，功率探头和功率计主机之间是纯模仿传输。这种办法的长处是可认为当时的使命挑选适宜的功率探头，而不需求新的功率计主机。可是其固有的缺陷是功率探头不能独立作业，没有主机则无法运用。
可是，跟着元器件日益微型化，以及现在小型、节能处理器的功能不断进步，状况现已改动。一同，现在能够将功率计制作成小型、集成单元，而且可通过规范的USB接口直接将其衔接到PC或功率计主机。这种状况下，主机不进行任何模仿信号处理,而是首要用于操作功率计和显现丈量值。这种解决方案有清楚明了的长处：集成的功率计不再由多个组件构成，能够在制作过程中对整个功率计进行特性描绘。这就不需求像传统办法那样，在丈量前运用参阅信号校准探头和主机了。
此外，信号处理对有害的搅扰不再那么软弱，由于信号处理是在集成元件内部进行的，而且功率探头现在仅需在信号起伏十分小的时分进行调零。
探头技能
功率计可依据不同技能制作，这些技能掩盖的频率规模可扩展到100GHz以上，功率规模从100pW到几十W。
当今，在功率计中首要选用以下技能：
• 热-电检波器
• 多通道二极管检波器
• 运用二极管检波的宽带或峰值探头
• 运用二极管检波并集成对数检波的接连波探头
热耦探头运用电阻将输入的射频功率转化成热量。然后依据这个电阻和它周围环境间的温度差核算出射频功率。热耦探头的首要缺陷是测验速度慢，不能显现功率包络。由于热耦探头的作业办法，它仅能够用于丈量大约300nW以上的功率,动态规模因而受到限制。依据二极管的功率探头能够战胜这一缺陷,能够供给高达90dB的动态规模。依据它们的完结办法，某些依据二极管的功率探头也能够丈量高达几十MHz带宽的功率包络。
依据二极管的功率探头，运用RMS检波器将射频信号转化成电压信号。在功率低于-20dBm以下时，该检波器在射频信号和输出电压之间出现线性联系。
这个区域称为平方律区域。这儿，二极管检波器的特性多少有些像热检波器，而且基本上不受谐波和起伏调制影响。超出这个信号电平，射频信号和检波器输出电压之间的线性联系不再存在。仅当信号带宽小于检波器带宽时，能够在这个区域内进行准确的功率丈量。此外，将每个丈量值用于进一步核算前，有必要将该值线性化。
解决方案：多通道二极管功率探头
在制作大动态规模的通用功率计时, 为了扩展二极管检波器的优势，需求选用多种技能。
首要，串联衔接几个二极管，构成所谓的“栈”，这将进步10dB•log(N)的动态规模，这儿的N等于二极管的数目。此外，具有不同衰减值的两条或三条独立丈量通道被集成进功率探头。
依据输入的射频电平，探头挑选功能最佳的通道。通道间能够选用硬切换，可是硬切换会带来迟滞。选用罗德与施瓦茨NRP-Z探头则能够完结通道间滑润过渡。这种办法有许多长处，包含防止信号台阶，由于消除了迟滞有较好的重复性，以及不中止丈量功率包络的才能。此外，在过渡区S/N比上有高达6dB的改进。
图 1：由于通道加权处理，在过渡区改进了精度
图1是两个通道的过渡区的丈量不确认度{不确认度}，显现了硬切换和滑润过渡两种状况。蓝色曲线描绘活络度较高的丈量通道，这个通道以切换点为丈量上限。在切换点往上，由于谐波或调制的影响，丈量不确认度敏捷添加。赤色曲线描绘活络度较低的通道这个通道以切换点为丈量下限，当电平下降时，由于噪声零点漂移引起该通道的丈量不确认度添加。由于在切换区域内的滑润过渡，得到更快的丈量速度和更好的功能。
通过很多在多通道二极管功率探头研发上的尽力，咱们在必定程度上取得了成功。今日，这些功率探头简直到达了热耦探头的精度，一同还供给更大的动态规模和更快的丈量速度。集成功率计的出产使得一同作业的多通道探头成为实践。
丈量精度
探头的质量反映在它的丈量精度上。关于功率探头，参阅条件下的典型目标规则了探头能到达的丈量精度。因而，了解出产厂家的技能标准十分重要，以便确认存在哪些附加差错来历会影响给定信号类型的丈量。用户也应留意以下方面：
• 衔接器的杰出衔接
• 调零时, 有必要封闭射频信号
• 被测设备(DUT)杰出的阻抗匹配
• 正确设置射频频率
假如用户来装备丈量参数，有必要保证正确设置一切相关参数。最重要的参数之一是均匀滤波器长度。添加该滤波器长度将下降噪声电平，但会添加丈量时刻。应依照出产厂家供给的技能规范挑选最佳设置值。
下面依据来自罗德与施瓦茨公司的R&S NRP-Z21为例，得到如下联系。在这儿，将丈量5GHz，-40dBm(100nW)的接连波信号。这儿，功率探头运用最活络的丈量通道。出产厂家的数据表能够为给定信号的肯定不确认度供给参阅。该数值包含校准不准确，非线性和温度影响。
在功率探头技能标准表中不同通道的零点漂移值不相同，活络度最高的通道零点漂移值为100 pW，在本例中能够疏忽这个差错因子。因而，不需求手动调零。
在产品数据表中规则了噪声电平与系数, 系数与预设的积分时刻有关。用户能够依照积分时刻来核算噪声电平，这儿噪声电平还需乘以系数sqrt(10.24/Tmeas)。
关于起伏调制信号，积分时刻应当是信号周期的整数倍。假如周期不知道或可变，用钟形曲线乘以积分窗口，精度能够获得显着的进步。R&S NRP-Z 功率探头的这项技能也叫“滑润”。在图2中，举例说明了设置不同丈量时刻对丈量精度的影响。
图2：丈量一个激活时隙、突发功率0 dBm的GSM信号，积分时刻为10ms或准确周期长度
关于重复信号，总是需求至少在两个积分窗口上丈量。这使得探头硬件能够在两个相邻丈量之间转化模仿信号的极性。这个技能称为“斩波”。它有效地消除了模仿信号处理中，随同1/f噪声影响的偏移电压。
失配
最终，还有一个在实践中往往总是被疏忽的主题：失配。
功率探头和被测设备之间的失配一般对能到达的丈量精度有极大影响。功率探头在出厂前通过校准，因而它总是显现入射功率的起伏。这个校准考虑了内部损耗，以及反射功率的起伏。
假如衔接的信号源是抱负的，由功率探头反射回去的功率将彻底被吸收。在这种状况，显现的成果是正确的。
可是，实践的信号源会将反射回来的功率的一部分再次反射回到功率探头。这个重量被叠加在信号源发射的功率上面，并依据相位角引起丈量成果变大或变小。
图3：功率计显现入射波(Pi)的功率
由于失配引起的丈量差错可运用下式大致预算：
源(ΓG)或负载(ΓL)的复数反射系数的起伏可依据它们的电压驻波比(VSWR)核算：
假如功率探头的VSWR为1.15，当它与VSWR为1.6的被测设备一同运用时，由于二者的VSWR失配将引起±0.14 dB或±3.1 %的差错。这一差错现已高于前面比如中功率探头目标规则的肯定不确认度。
有几种办法可协助防止这种差错：
• 运用尽可能匹配的功率探头
• 优化源匹配，假如需求，可刺进小数值的衰减器
• 运用伽玛批改得到准确丈量成果
在最简略状况下，可通过刺进3 dB到10 dB的衰减器改进被测设备的匹配。仅此将把失配引起的差错削减到1/2至1/10 。
假如被测设备的复数反射系数已知，也能够在数值上批改丈量成果。由于探头的反射系数在出厂前的参数丈量中得到，，现在，用户一切必要做的是确认被测设备的反射系数，并将其供给给功率探头, R&S NRP-Z功率探头主动完结批改。
小结
射频功率准确丈量首要需求挑选正确的丈量仪器。当既要求快速又要求准确丈量时尤其是如此，这是主动化出产环境下的实践状况。
通过近些年的开展，现已涌现出很多尺度小、巩固和高精度的集成功率计产品。尤其是多通道二极管功率探头在许多应用领域得到广泛运用。它们供给了挨近热耦探头的精度，而且精度基本上与信号的调制类型无关。此外，在一切商用功率计中具有最大的动态规模。
