當前,基于射頻原理的無線通信產品俯拾即是,其數量的增長速度也非常驚人。
從蜂窩電話和無線PDA,到支持WiFi的筆記本電腦、藍牙耳機、射頻身份標簽、無線醫療設備和Zigbee傳感器,射頻設備的市場規模在飛速擴大。 要想進行全面的生產測試并提高測試產能,測試工程師們必須要理解射頻基本原理,清楚測試的內容,并懂得選用最適合 的儀器完成這些測試工作。
問題是,大多數從事低頻應用(工作頻率在1MHz以下)的工程師不太熟悉高頻的應用特點。
射頻術語:您必須掌握的“工作語言”忘掉電壓,射頻工程師常用功率
射頻信號的強度千差萬別。隨著信號在自由空間的傳播,單位功率將隨著距離的平方成比例降低,功率的變化常用分貝(dB)來表示。 采用分貝進行功率測量也大大簡化了計算過程。增益和損耗都按分貝為單位進行加減。因此,乘法操作簡化為加法操作。dB的形式化定義為:
dB = 10 log (Pout/Pin)
分貝dB是一個相對的值。另一個相關的單位是毫瓦分貝dBm,它是相對于1mW的絕對功率。
圖1給出了dBm的值及其相應的瓦特數,其中還給出了移動電話的發射機發射功率參考范圍,以及靈敏接收機所能檢測到的最低信號功率。
圖2給出的等式定義了室溫下射頻信號的理論熱噪聲。由于射頻信號通過空氣的傳輸以及受到大氣干擾和其它信號的干擾,到達接收機端的信號電平可能變得非常低。
接收機常常需要檢測低于0.1pW的信號(或者低于微伏的信號電平)。 Noise Floor:本底噪聲
常見問題不再是輸入阻抗,而是傳輸線的阻抗失配
在低頻情況下,我們在電路上傳輸電壓的目標是實現最小的衰減幅度。其中,最有效的電路是輸入阻抗高而輸出阻抗低的電路。
對于射頻應用,線纜的長度可能只有波長的四分之一,我們必須把信號傳輸當成波來理解。如果波受到阻斷,部分波信號就會發生反射。
射頻傳輸的目標就是無損耗地將所有的功率傳給負載。任何功率的反射就意味著傳給負載功率的損失。
因此,失配是一個關鍵的參數。電路元件和傳輸線之間的任何阻抗差異都會引起反射和功率損耗。
在射頻應用中,傳輸線一般都采用同軸電纜,它們相對于電路板和電路板內的微帶線路而言都是外部組件。這些組件具有自己的特征阻抗。
傳輸線的特征阻抗取決于導線的幾何結構、導線的屬性以及包裹或隔離導線的絕緣體。對于射頻應用來說,傳輸線的特征阻抗以及各組件的輸入和輸出阻抗通常采用50歐姆或75歐姆。
50歐姆的阻抗用于優化系統內的功率傳輸,而75歐姆的阻抗用于實現最小的衰減,例如有線電視網系統。大部分射頻無線傳輸系統都是針對功率傳輸而進行設計優化的,因此特征阻抗都是50歐姆。 為了盡量減少反射,無線測試與測量應用中的射頻線纜和組件都是基于50歐姆特征阻抗而設計的。相反,當阻抗匹配時,就實現了最佳的功率傳輸。 如果某個信號波從一種特征阻抗傳輸到另一種不同的特征阻抗,那么就會引起信號反射和反向傳輸。
如果阻抗相同,就不會發生反射。當由于阻抗不連續而發生信號反射時,就會在傳輸線的兩個方向上出現信號波的傳輸。
在這兩個波相位相同的點上,將出現最大的電壓幅值Vmax;在它們相位相差180度的點上,將出現Vmin。
Vmax和Vmin的比值稱為電壓駐波比,即VSWR。VSWR是衡量某個連接器或某條線纜的阻抗是否接近50歐姆的一個指標。
圖3給出了理想情況下全匹配(沒有反射)、理想開路(100%反射),以及極端情況下這三個值之間的關系。
Return Loss:回波損耗 Reflected Power:反射功率
熟悉掌握新型的連接器、線纜和元件
帶BNC連接器的電纜通常在500MHz以上就開始衰減。在射頻領域,電纜通常配備N型連接器和SMA連接器。
N型連接器常用在測試儀器上,因為它們非常耐用,可以處理高功率,能夠很好地工作在高達18GHz的頻率下。SMA連接器比N型連接器小得多,比N連接器的功率更低,但是可以很好地用于18GHz以上的頻率下。 所有的射頻電纜都是同軸的。同軸射頻電纜可以是不可彎曲的(即剛性的)、可彎曲一定程度的(即半剛性的),或者可彎曲的。
對于射頻而言,我們要比低頻情況下更小心地對待電纜。過分的彎曲電纜以及明顯的90度折彎都會損壞電纜,嚴重地降低傳輸性能。 在低頻情況下,良好的連接就是指導線之間要相互接觸(簡單的連續性)。而在射頻情況下,阻抗失配是很嚴重的問題,意味著良好的連接不僅要確保導線相互接觸,而且要
求連接器也要正確的扭轉在一起。因此,射頻制造商常采用7英尺磅大小的扭矩,以確保連接器之間具有很好的接觸和最小的電阻(射頻術語稱為插入損耗)。
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原文標題:射頻工程師必備測量技術基礎,面試的時候別說不會!
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