如何测量FMCW功率

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  如何测量FMCW功率呢？直接使用频谱仪测量可以吗？本文和大家一起探讨一下这个问题~

单音频谱与FMCW频谱的读数

单音频谱

  图1为我们做的一款25MHz~6GHz的连续波射频信号源，具体参数参见https://item.taobao.com/item.htm?spm=a2oq0.12575281.0.0.50111debAXzFGv&ft=t&id=587591100657，其实测频谱如图2所示，图2读数为-0.4dBm，此时如果使用功率计测量其功率，测试结果仍为-0.4dBm。可见单音频谱使用频谱仪可以直接读取其功率数值。

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图1：可编程25 MHz ~ 6.4 GHz信号源

FMCW频谱

  FMCW的频谱是一个类似矩形的频谱，FMCW频谱详情参见博文《FMCW频谱》（https://blog.csdn.net/mzldxf/article/details/100938254），我们使用满洲里国峰电子科技的X波段信号源做测试，使用的硬件：https://item.taobao.com/item.htm?spm=a2oq0.12575281.0.0.50111debnPI0sP&ft=t&id=595600167909，使用频谱仪测试，频谱仪检波类型选择均方根检波（RMS），测试结果如图2所示：

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图2：X波段信号源频谱 （均方根检波）

图3：X波段信号源数据手册
 

  该X波段信号源配有可调增益放大器，改变控制电压可以改变输出功率。图3为数据手册的截图，手册中标注的是输出功率最大可调至17dBm，而当我们调整控制电压使其输出功率最大时，却测得是图2的-27dBm，两者差距太大。为了验证，我么使用功率计再次测量，测量结果为17dBm和手册中的数据一致。那么使用频谱仪测试的时候，问题出在哪里了呢？

频谱仪的纵轴含义与功率换算

  继续讨论纵轴测出的是什么测量量之前，我们温习一下频谱仪的结构，频谱仪实际上是一个高端的射频接收机（实际上频谱仪的结构远不只图2所示的一级混频这么简单，但基本原理如此。），结构如图4所示：

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图4：简化版频谱仪

  我们看到频谱仪中有一个黄色的滤波器，我们调节频谱仪的“分辨率带宽（RBW）”这个参数的时候，就是在调节这个滤波器的带宽。而只有在这个滤波器带宽内的信号功率才能被频谱仪接收到，不在带宽内的信号被滤波器滤掉了。

  可见频谱仪测量的既不是该频率点的功率值，也不是功率谱密度，而是在这个RBW内，接收到的功率。比如图2 中的滤波器带宽是100kHz，显示的数值是-27dBm，表示这个-27dBm的功率是在100kHz带宽内频谱仪接收到的功率，由此可以计算出功率谱密度：
− 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乘了一个1.2，有朋友问这个系数的问题，其实log1.2很小，影响很小，在这一版中笔者将其略去。）
  这个滤波器的带宽叫做“分辨率带宽”，就是上式中的RBW。
  输出功率=功率谱密度 × \times ×信号带宽
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
  与数据手册的数值基本一致，使用积分更精确的结果。

功率监测功能

  现代的新款频谱仪都可以选购功率监测功能，使用该功能就，频谱仪自己就可以完成上述的计算，而且使用的是积分算法，测算更准确。需要注意的是，使用该功能，通常必须选择均方根检波模式。

仪器没有功率监测功能怎么办？

  如果是旧式仪器，或者二手仪器，没办法购买选件了，怎么计算呢？为此我们设计了一款小程序，点击：百度网盘链接，提取码：GFFX。输入数据就可以自动帮大家测算出结果，如图5所示：
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图5：FMCW功率计算器

  如图5所示，只需填入数据，点击计算就可以得到真实的功率。需要注意以下几点：

  1. 检波类型，上半部分的计算器，需要使用频谱仪的自动模式，通常是峰值检波，下半部分需要我们刚刚用的均方根检波模式，填错地方会导致计算结果有问题。
  2. 频谱仪的“视频带宽（VBW）”应设为“分辨率带宽（RBW）”的3倍或者5倍左右。

峰值检波的换算

  通常频谱仪默认的自动检波模式为峰值检波，在图5的计算器中也有自动峰值检波模式计算的功能，我们将频谱仪设为自动检波，测得图6的频谱：
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图6：X波段信号源频谱（自动峰值检波）

  对比图6和图2，两者的纵轴读数相差很多，图6读数大约为-5dBm，明显比图2高，可见如果使用计算器时填错位置会导致计算结果有误。将测试的数据填入计算器，如图5上半部分所示，点击“计算功率”，得出结果17.67dBm，和前面计算的结果时分接近~

作者：潇洒的电磁波（专业：射频芯片设计、雷达系统。爱好：嵌入式。欢迎大家项目合作交流。）
微信：GuoFengDianZi

注释与引用：
[1]: 在之前的版本中RBW乘了一个1.2，有朋友问这个系数的问题，其实log1.2很小，影响很小，在这一版中笔者将其略去。