如何測量FMCW功率

目錄

• 單音頻譜與FMCW頻譜的讀數
• • 單音頻譜
  • FMCW頻譜
• 頻譜儀的縱軸含義與功率換算
• • 功率監測功能
  • 儀器沒有功率監測功能怎麼辦？
  • 峰值檢波的換算

  如何測量FMCW功率呢？直接使用頻譜儀測量可以嗎？本文和大家一起探讨一下這個問題~

單音頻譜與FMCW頻譜的讀數

單音頻譜

  圖1為我們做的一款25MHz~6GHz的連續波射頻信号源，具體參數參見https://item.taobao.com/item.htm?spm=a2oq0.12575281.0.0.50111debAXzFGv&ft=t&id=587591100657，其實測頻譜如圖2所示，圖2讀數為-0.4dBm，此時如果使用功率計測量其功率，測試結果仍為-0.4dBm。可見單音頻譜使用頻譜儀可以直接讀取其功率數值。

圖1：可程式設計25 MHz ~ 6.4 GHz信号源

FMCW頻譜

  FMCW的頻譜是一個類似矩形的頻譜，FMCW頻譜詳情參見博文《FMCW頻譜》（https://blog.csdn.net/mzldxf/article/details/100938254），我們使用滿洲裡國峰電子科技的X波段信号源做測試，使用的硬體：https://item.taobao.com/item.htm?spm=a2oq0.12575281.0.0.50111debnPI0sP&ft=t&id=595600167909，使用頻譜儀測試，頻譜儀檢波類型選擇均方根檢波（RMS），測試結果如圖2所示：

圖2：X波段信号源頻譜 （均方根檢波）

圖3：X波段信号源資料手冊

  該X波段信号源配有可調增益放大器，改變控制電壓可以改變輸出功率。圖3為資料手冊的截圖，手冊中标注的是輸出功率最大可調至17dBm，而當我們調整控制電壓使其輸出功率最大時，卻測得是圖2的-27dBm，兩者差距太大。為了驗證，我麼使用功率計再次測量，測量結果為17dBm和手冊中的資料一緻。那麼使用頻譜儀測試的時候，問題出在哪裡了呢？

頻譜儀的縱軸含義與功率換算

  繼續讨論縱軸測出的是什麼測量量之前，我們溫習一下頻譜儀的結構，頻譜儀實際上是一個高端的射頻接收機（實際上頻譜儀的結構遠不隻圖2所示的一級混頻這麼簡單，但基本原理如此。），結構如圖4所示：

圖4：簡化版頻譜儀

  我們看到頻譜儀中有一個黃色的濾波器，我們調節頻譜儀的“分辨率帶寬（RBW）”這個參數的時候，就是在調節這個濾波器的帶寬。而隻有在這個濾波器帶寬内的信号功率才能被頻譜儀接收到，不在帶寬内的信号被濾波器濾掉了。

  可見頻譜儀測量的既不是該頻率點的功率值，也不是功率譜密度，而是在這個RBW内，接收到的功率。比如圖2 中的濾波器帶寬是100kHz，顯示的數值是-27dBm，表示這個-27dBm的功率是在100kHz帶寬内頻譜儀接收到的功率，由此可以計算出功率譜密度：

− 27 d B m − 10 l o g （ R B W ） = − 77 d B m / H z = 1.995 e − 8 m W / H z -27dBm - 10log（RBW）=-77dBm/Hz=1.995e^{-8}mW/Hz −27dBm−10log（RBW）=−77dBm/Hz=1.995e−8mW/Hz [1]

（注：在之前的版本中RBW乘了一個1.2，有朋友問這個系數的問題，其實log1.2很小，影響很小，在這一版中筆者将其略去。）

  這個濾波器的帶寬叫做“分辨率帶寬”，就是上式中的RBW。

  輸出功率=功率譜密度 × \times ×信号帶寬

P o u t = 1.995 e − 8 m W / H z × 3 G H z = 59.86 m W = 17.77 d B m Pout=1.995e^{-8}mW/Hz \times 3GHz=59.86mW=17.77dBm Pout=1.995e−8mW/Hz×3GHz=59.86mW=17.77dBm

  與資料手冊的數值基本一緻，使用積分更精确的結果。

功率監測功能

  現代的新款頻譜儀都可以選購功率監測功能，使用該功能就，頻譜儀自己就可以完成上述的計算，而且使用的是積分算法，測算更準确。需要注意的是，使用該功能，通常必須選擇均方根檢波模式。

儀器沒有功率監測功能怎麼辦？

  如果是舊式儀器，或者二手儀器，沒辦法購買選件了，怎麼計算呢？為此我們設計了一款小程式，點選：百度網盤連結，提取碼：GFFX。輸入資料就可以自動幫大家測算出結果，如圖5所示：

圖5：FMCW功率電腦

  如圖5所示，隻需填入資料，點選計算就可以得到真實的功率。需要注意以下幾點：

1. 檢波類型，上半部分的電腦，需要使用頻譜儀的自動模式，通常是峰值檢波，下半部分需要我們剛剛用的均方根檢波模式，填錯地方會導緻計算結果有問題。
2. 頻譜儀的“視訊帶寬（VBW）”應設為“分辨率帶寬（RBW）”的3倍或者5倍左右。

峰值檢波的換算

  通常頻譜儀預設的自動檢波模式為峰值檢波，在圖5的電腦中也有自動峰值檢波模式計算的功能，我們将頻譜儀設為自動檢波，測得圖6的頻譜：

圖6：X波段信号源頻譜（自動峰值檢波）

  對比圖6和圖2，兩者的縱軸讀數相差很多，圖6讀數大約為-5dBm，明顯比圖2高，可見如果使用電腦時填錯位置會導緻計算結果有誤。将測試的資料填入電腦，如圖5上半部分所示，點選“計算功率”，得出結果17.67dBm，和前面計算的結果時分接近~

作者：潇灑的電磁波（專業：射頻晶片設計、雷達系統。愛好：嵌入式。歡迎大家項目合作交流。）

微信：GuoFengDianZi

注釋與引用：

[1]: 在之前的版本中RBW乘了一個1.2，有朋友問這個系數的問題，其實log1.2很小，影響很小，在這一版中筆者将其略去。