射频工程师必备测量技术基础

  从蜂窝电话和无线PDA,到支持WiFi的笔记本电脑、蓝牙耳机、射频身份标签、无线医疗设备和Zigbee传感器,射频设备的市场规模在飞速扩大。

  要想进行全面的生产测试并提高测试产能,测试工程师们必须要理解射频基本原理,清楚测试的内容,并懂得选用最适合 的仪器完成这些测试工作。

  问题是,大多数从事低频应用(工作频率在1MHz以下)的工程师不太熟悉高频的应用特点。

  射频信号的强度千差万别。随着信号在自由空间的传播,单位功率将随着距离的平方成比例降低,功率的变化常用分贝(dB)来表示。

  采用分贝进行功率测量也大大简化了计算过程。增益和损耗都按分贝为单位进行加减。因此,乘法操作简化为加法操作。dB的形式化定义为:

  分贝dB是一个相对的值。另一个相关的单位是毫瓦分贝dBm,它是相对于1mW的绝对功率。

  图1给出了dBm的值及其相应的瓦特数,其中还给出了移动电话的发射机发射功率参考范围,以及灵敏接收机所能检测到的最低信号功率。

  图2给出的等式定义了室温下射频信号的理论热噪声。由于射频信号通过空气的传输以及受到大气干扰和其它信号的干扰,到达接收机端的信号电平可能变得非常低。

  在低频情况下,我们在电路上传输电压的目标是实现最小的衰减幅度。其中,最有效的电路是输入阻抗高而输出阻抗低的电路。

  对于射频应用,线缆的长度可能只有波长的四分之一,我们必须把信号传输当成波来理解。如果波受到阻断,部分波信号就会发生反射。

  射频传输的目标就是无损耗地将所有的功率传给负载。任何功率的反射就意味着传给负载功率的损失。

  因此,失配是一个关键的参数。电路元件和传输线之间的任何阻抗差异都会引起反射和功率损耗。

  在射频应用中,传输线一般都采用同轴电缆,它们相对于电路板和电路板内的微带线路而言都是外部组件。这些组件具有自己的特征阻抗。

  传输线的特征阻抗取决于导线的几何结构、导线的属性以及包裹或隔离导线的绝缘体。对于射频应用来说,传输线的特征阻抗以及各组件的输入和输出阻抗通常采用50欧姆或75欧姆。

  50欧姆的阻抗用于优化系统内的功率传输,而75欧姆的阻抗用于实现最小的衰减,例如有线电视网系统。大部分射频无线传输系统都是针对功率传输而进行设计优化的,因此特征阻抗都是50欧姆。

  为了尽量减少反射,无线测试与测量应用中的射频线欧姆特征阻抗而设计的。相反,当阻抗匹配时,就实现了最佳的功率传输。

  如果某个信号波从一种特征阻抗传输到另一种不同的特征阻抗,那么就会引起信号反射和反向传输。

  如果阻抗相同,就不会发生反射。当由于阻抗不连续而发生信号反射时,就会在传输线的两个方向上出现信号波的传输。

  在这两个波相位相同的点上,将出现最大的电压幅值Vmax;在它们相位相差180度的点上,将出现Vmin。

  Vmax和Vmin的比值称为电压驻波比,即VSWR。VSWR是衡量某个连接器或某条线欧姆的一个指标。

  图3给出了理想情况下全匹配(没有反射)、理想开路(100%反射),以及极端情况下这三个值之间的关系。

  带BNC连接器的电缆通常在500MHz以上就开始衰减。在射频领域,电缆通常配备N型连接器和SMA连接器。

  N型连接器常用在测试仪器上,因为它们非常耐用,可以处理高功率,能够很好地工作在高达18GHz的频率下。SMA连接器比N型连接器小得多,比N连接器的功率更低,但是可以很好地用于18GHz以上的频率下。

  所有的射频电缆都是同轴的。同轴射频电缆可以是不可弯曲的(即刚性的)、可弯曲一定程度的(即半刚性的),或者可弯曲的。

  对于射频而言,我们要比低频情况下更小心地对待电缆。过分的弯曲电缆以及明显的90度折弯都会损坏电缆,严重地降低传输性能。

  在低频情况下,良好的连接就是指导线之间要相互接触(简单的连续性)。而在射频情况下,阻抗失配是很严重的问题,意味着良好的连接不仅要确保导线相互接触,而且要

  求连接器也要正确的扭转在一起。因此,射频制造商常采用7英尺磅大小的扭矩,以确保连接器之间具有很好的接触和最小的电阻(射频术语称为插入损耗)

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