Měření vf výkonu je možné provádět několika různými způsoby, použitím různých přístrojů. Tento příspěvek
popisuje měření vysokofrekvenčního výkonu pomocí vf měřičů výkonu. Obvyklou sestavou je měřič výkonu, na který
je připojen jeden nebo dva senzory (detektory) výkonu.
Toto měření vyžaduje pouze jeden senzor výkonu a popřípadě směrový vazební člen (directional coupler).
Obrázek vlevo ukazuje přímé měření výstupního výkonu vf generátoru Marconi 2022 (vpravo) měřičem výkonu
HP 436 (vlevo) pomocí výkonového senzoru. Senzor je v tomto případě napojen přímo na výstup generátoru a
výstup senzoru je spojen kabelem s měřičem výkonu.
Je velmi důležité věnovat maximální pozornost správnému výběru senzoru výkonu. Senzory výkonu měří výkon různým způsobem
a mají omezený rozsah výkonu, v kterém mohou být použity. Obvyklým rozsahem senzorů výkonu je oblast od
-30 do +20 dBm, to znamená od 1 µW do 100 mW. Signály s vyšším výkonem nevratně poškodí senzor
a signály s nižším výkonem pod hranicí rozsahu senzoru nemohou být senzorem detekovány.
Pro měření signálů menších výkonů, pod hranicí citlivosti senzorů výkonu, je potřebné použít buďto citlivých senzorů, anebo měřících vysokofrekvenčních zesilovačů.
Měřící vysokofrekvenční zesilovače mají obvykle lineární závislost zesílení na kmitočtu a pracují v určitém kmitočtovém
rozsahu, například v rozsahu 1000 až 4000 MHz se ziskem například 30 dB.
Pro měření signálů velkých výkonů, nad hranicí použitelnosti senzorů, je nutné předřadit senzoru atenuátor
o známém útlumu, anebo použít směrový vazební člen.
Měření přenášeného výstupního výkonu se směrovým vazebním členem
Obrázek vlevo ukazuje měření přenášeného výstupního výkonu pomocí směrového vazebního členu. Jako zdroj signálu je použit
vf generátor Hewlett Packard HP 8647A (dole) a výkon je zjišťován měřičem výkonu Marconi 6960B (nahoře) se senzorem
Marconi 6910. Senzor je
v tomto případě napojen na vazební výstup směrového vazebního členu. Signál z generátoru prochází směrovým vazebním členem, na jehož výstup je
zapojena umělá zátěž 50Ω.
U směrových vazebních členů se udává tzv. "coupling factor", což je vazební faktor vzhledem k měřícímu vstupu. Tento faktor
je vždy vyjádřen v dB a obvykle má hodnotu mezi 20 až 60 dB. Na správném výběru vazebního členu a senzoru výkonu je závislá
přesnost měření. Je vhodné provádět měření v horní polovině rozsahu senzoru, protože většina senzorů výkonu má v této horní
polovině rozsahu vyšší přesnost.
Příklad
Předpokládejme, že máme výkonový vf zesilovač který dává na kmitočtu 860 MHz výkon 100 Watt. Tento výkon odpovídá 50 dBm.
K měření máme senzor Marconi 6910, který pracuje v rozsahu -30 až +20 dBm. Musíme proto použít směrový vazební člen
s faktorem minimáně 30 dB ( protože 50 - 20 = 30). Použijeme však směrový vazební člen s faktorem 40 dB, potože jednak 20 dBm je
horní mezní hranice senzoru výkonu a také proto, že výkonový zesilovač může dávat o něco vyšší výkon. V případě že nemáme
směrový vazební člen s faktorem 40 dB, ale pouze s faktorem 30 dB, pak musíme mezi směrový vazební člen a senzor zařadit ještě
attenuátor (útlumový člen) s útlumem např. 3 dB.
Pokud tedy použijeme směrový vazební člen s faktorem 30 dB a na jeho vazební výstup, před senzor zařadíme attenuátor 3 dB,
pak, protože 3 dB je dvojnásobek, měli bychom být schopni měřit až do 200 Watt přenášeného výkonu. (Senzor má +20 dBm
horní limit, k tomu máme 33 dB vazební faktor, takže lze měřit do +53 dBm nebo-li 200 Watt). V opačném směru, senzor měří
až do -30 dBm, takže minimální měřený výkon bude 2 mWatt ( -30 dBm + 33 = 3 dBm ).
Obrázek vlevo ukazuje směrový vazební člen, který jsme použili v našem měření. Zcela vlevo je na výstup vazebního členu
zapojena umělá zátěž 50Ω, vpravo je vstup do vazebního členu a vpravo nahoře je vazební výstup, na který je připojen
senzor výkonu.
Poznamenejme ještě, že většina měřičů výkonu umožňuje vložení korekčního faktoru, který se automaticky přičítá k úrovni měřené
senzorem. Měřič výkonu pak zobrazuje skutečný přenášený výkon.
V našem příkladu na předchozí straně bychom tedy do měřiče výkonu vložili korekční faktor 33 dB. Pokud by senzor naměřil výkon
vstupního signálu například +10 dBm, znamenalo by to, že na vstupu směrového vazebního členu je výkon +43 dBm. Měřiče výkonu
zobrazují výkon buďto v lineárním nebo logaritmickém formátu. V našem případě by logaritmický formát byl +43 dBm a ineární
formát by byl 20 Watt.
Druhy senzorů
Existují různé druhy senzorů výkonu a k měření musíme zvolit takový senzor, v závislosti na tom, co chceme měřit.
Jestliže chceme měřit střední hodnotu výkonu, pak použijeme termočlánkový senzor. Existují také diodové senzory, ty však mají
nelineární charakteristiku, takže nejsou vhodné k měření RMS výkonu modulovaných signálů. Výhodou diodových senzorů je
jejich (obvykle) velký dynamický rozsah. Pokud tedy budeme měřit nemodulované signály v širokém rozsahu, bude vhodné
vzít v úvahu použití diodových senzorů. Pokud však budeme měřit pulzní nebo amplitudově modulované signály, bude potřeba
použít termočlánkové senzory pro měření středního výkonu. Existují také senzory na měření pulzních signálů, resp. špiček signálů.
Ty jsou vhodné k měření špiček modulovaných obálek a také k měření pulzních signálů s krátkou střídou.
Senzory samozřejmě musí být použitelné pro frekvenční pásmo v kterém chceme měřit. Většina senzorů pracuje v rozsahu od několika kHz
do 2 nebo 4 GHz. Jiné pracují v pásmech od jednotek MHz až do 20 GHz. Poznamenejme také, že senzory jsou vyráběny pro konkrétní typ měřiče
výkonu a nejsou zaměnitelné ani mezi různými typy měřičů výkonu téhož výrobce. Nelze tedy použít senzor výkonu od Hewlett Packard
k měřiči výkonu Rohde Schwarz nebo Marconi.
Měření reverzního výkonu
Měření reverzního výkonu je velmi podobné měření přenášeného výkonu. Ten samý směrový vazební člen by měl být použitelný
prostým otočením. Avšak mnohem snazší je použití dvousměrného vazebního členu (dual-directional coupler ), který umožňuje
současné měření přenášeného i reverzního (odraženého) výkonu. Pro současné měření přenášeného a odraženého výkonu je potřebný
dvoukanálový měřič výkonu, anebo dva jednokanálové měřiče výkonu. Pokud použijeme dvoukanálový měřič výkonu, pak ten má obvykle vestavěnné
matematické funkce a zobrazí oba naměřené výkony, čistý výkon nebo VSWR.
Vazební členy
Při výběru vazebního členu je třeba mít na paměti, že existují jednak dvousměrné vazební členy (dual-directional coupler ), ale také
obousměrné vazební členy (bi-directional coupler) a mezi nimi je rozdíl. Zatímco dvousměrný vazební člen lze použít k měření
přenášeného a zpětného výkonu, tak u obousměrného vazebního členu je s ohledem na přesné měření důležité, který port je
ukončen zátěží 50Ω. U dvousměrného vazebního členu jsou totiž 50Ω zátěže vestavěny na každém portu.
Horní obrázek ukazuje jednoduchý směrový vazební člen Hewlett Packard, typ HP 11691A pro frekvence 2 až 20 GHz. Spodní obrázek
ukazuje obousměrný vazební člen Hewlet Packard, typ HP 778D.
