Az évek során többféle műszeralapú megoldás terjedt el az átlag- és csúcsteljesítmény terepi mérésére. Ezek többsége a gyakorlatban jól alkalmazható megoldás volt, azonban a nagy pontosság rendszerint igen korlátozott dinamikatartománnyal, hosszú mérési és bemelegedési időkkel párosult. Az alternatív megoldásként elterjedt hangolt vevők nagyobb dinamikatartományt és csupán kicsivel alacsonyabb mérési pontosságot biztosítanak — az, hogy az érintettek mely megoldás mellett teszik le végül a voksukat, általában a kompromisszumkészségüktől függ.
Lehetőségek elektromos teljesítmény mérésére
A kimeneti teljesítményszint minden rádiófrekvenciás és mikrohullámú rendszer esetében döntő fontosságú tényező a tervezés és üzemeltetés során. A jelteljesítmény mérése olyan fontos ezeknél a rendszereknél, hogy a termékélettartam minden stádiumában végzik, kezdve a kezdeti fejlesztéstől és az egyes alkatrészek egyedi kvalifikálásától a gyártáson és terepi üzembeállításon át egészen a rendszeres karbantartásig és terepi hibaelhárításig.
A teljesítményméréshez általában több műszertípust használnak, például elektromos alapmennyiségeket mérő multimétereket, jel- és hálózatanalizátorokat. A terepi méréseknél általában a spektrumanalizátorok és teljesítménymérő szenzorok kombinációját alkalmazzák. A teljesítménymérő szenzorok mérési adatainak megjelenítésére használhatunk egy megfelelő szoftvert futtató laptopot, hagyományos teljesítménymérő műszert vagy spektrumanalizátort is. A teljesítménymérő műszerek általában legfeljebb négy, míg egy laptop akár húsz szenzort is támogathat. További lehetőség, hogy az USB-csatolós szenzorokat közvetlenül csatlakoztathatjuk spektrumanalizátorhoz is, amely azért előnyös, mivel az analizátor közvetlenül képes a teljesítményadatokat megjeleníteni, nem szükséges külön laptopot vagy teljesítménymérőt terepre vinni. Ha a helyszíni méréshez spektrumanalizátorra egyébként is szükség van, ez a konfiguráció nagyon kedvezőnek tűnhet. Végezetül, a beépített csatornateljesítmény-mérővel (CPM) is rendelkező spektrumanalizátoroknál adott a lehetőség a jel teljesítményének közvetlen mérésére, külső szenzor nélkül is. Ebben az esetben az analizátor hangolt vevője az átlagteljesítményt méri.
Az egyes megoldások jellemzői
Az egyszerű és összetett jelek terepi teljesítménymérésére szolgáló optimális megoldást a pontosságra, frekvenciatartományra, dinamikatartományra, hordozhatóságra, bemelegedési időre és tartósságra vonatkozó követelmények szerint osztályozzuk. A különálló teljesítménymérő szenzor és a spektrumanalizátor beépített csatornateljesítmény-mérője közötti különbségek megértése érdekében célszerű áttekinteni az egyes megoldások jellemzőit.
A teljesítménymérő-szenzoros és mérőműszeres összeállításban szerepel a detektorként funkcionáló szenzorelem, amelyet analóg és digitális jelfeldolgozó alkatrészek hálózata követ. Ha a szenzor és a teljesítménymérő külön készülékben van, a jelfeldolgozó funkciók a mérőműszerben találhatók, viszont ha USB-illesztős teljesítménymérő szenzorunk van, akkor a jelfeldolgozó rész is benne foglaltatik, a laptop vagy a spektrumanalizátor csupán a mérési eredmények vizualizálására szolgál.
Mindegyik esetre igaz, hogy a szenzorelem (amely lehet például termoelem vagy dióda) a bejövő RF vagy mikrohullámú jelet egyenfeszültséggé vagy kisfrekvenciás feszültséghullámmá konvertálja. Mivel a szenzor kimeneti feszültsége akár a 100 nV nagyságrendbe is eshet, szükség van kimeneti erősítésre, amelyet szűrés útján tisztítanak meg a nagyfrekvenciás zajtól. Néhány konfigurációban a szűrő sávszélessége állítható, és igény szerint csökkenthető is a jobb mérési érzékenységért, illetve növelhető is a nagyobb mérési sebesség érdekében. A következő lépésben az analóg jelet analóg-digitális átalakítóval digitalizálják, a digitális feldolgozóegység további szűrést és a mintavételezett jelalak átlagolását végzi, továbbá felhasználói interfészt biztosít a kezelőszervek és a kijelző felé.
Azzal együtt, hogy a különböző teljesítménymérő szenzorok számos frekvenciatartományt és teljesítményszintet lefednek, jellemzően két alapkategóriába sorolhatók: a termikus és a diódaalapú szenzorokéba. A termikus alapú szenzorok (pl. termisztorok és termoelemek) az RF/mikrohullámú jel által generált hőt a szenzor elektromos tulajdonságaiban bekövetkező változássá konvertálják, amely a jel modulációs sémájától függetlenül érvényes átlagteljesítményt ad ki. A diódaalapú szenzorok a bemeneti RF/mikrohullámú jelet egyenirányítják és szűrik egy dióda és kondenzátor segítségével. A kimeneti jelalakot a teljesítménymérő erősíti, szűri és mintavételezi.
A termikus alapú szenzorok ideálisak folytonos hullámú (CW) és modulált jelek átlagteljesítményének mérésére +20 dBm jelszintig, azonban dinamikatartományuk meglehetősen korlátozott. A diódaalapú szenzorok dinamikatartománya ezzel szemben sokkal szélesebb, ám nemlineáris viselkedésüket a mérési pontosság érdekében karakterizálni és kompenzálni kell. +20 dBm jelszint felett visszafordíthatatlan károsodást szenvedhetnek a diódaalapú eszközök, ráadásul rendkívül érzékenyek a sztatikus feltöltődésre és mechanikai rázkódásra, és a megadott pontosság eléréséhez szükség van a 30 perces bemelegedési idő betartására.
A beépített csatornateljesítmény-mérős spektrumanalizátoroknál az átlagteljesítmény mérése meglehetősen egyszerű. A hangolt vevős architektúrás spektrumanalizátor blokkdiagramját az 1. ábra mutatja. Ebben a konfigurációban számos fontos eltérés van a teljesítménymérő-szenzoros és -mérős összeállításhoz képest. Például az amplitúdódetektor a blokkdiagramban még beljebb található, és meg is előzi egy sáváteresztő szűrő, a hangolt vevő front-endje pedig tartalmaz egy keverőből és helyi oszcillátorból álló lekonvertáló blokkot is.
1. ábra. Egy hangolt vevős architektúrás spektrumanalizátor blokkdiagramja
2. ábra. A strapabíró burkolattal rendelkező Agilent FieldFox kézi spektrumanalizátor nagy dinamikatartományt és InstAlign automatikus kalibrációt kínál terepi teljesítménymérésekhezElőnyök és kompromisszumok
Több tényezőt célszerű mérlegelni, mielőtt döntünk a teljesítménymérő-szenzoros vagy CPM-funkciós spektrumanalizátor használata mellett. Mindenekelőtt elmondható, hogy a teljesítménymérő szenzorokkal érhető el a legnagyobb mérési pontosság, azonban a frekvenciaválasz, hőmérsékleti drift és öregedés hatásának kiküszöbölésére nullázásra és felhasználói kalibrációra van szükség. Ha teljesítménymérő műszert is használunk a rendszerben, a szenzort adott időközönként rá kell kötni az 50 MHz-es referenciára.
A spektrumanalizátor beépített csatornateljesítmény-mérője ugyan nem ad olyan pontosságot, mint a szenzor, azonban a modern analizátorok (mint a 2. ábrán látható FieldFox is) a teljes frekvencia-, üzemihőmérséklet- és dinamikatartományunkban ±0,5 dB nagyságrendű pontosságot így is el tudnak érni (lásd 3. ábra). Emellett kényelmes és hatékony használatukat szolgálja az is, hogy nincs szükség bemelegedési időre, és elég egyetlen műszert terepre vinni.
3. ábra. Spektrumanalizátoros teljesítménymérések folytonos hullámú jelen balról jobbra: FieldFox spektrumanalizátoron (-20,08 dBm), teljesítménymérő szenzorral (-20,00 dBm) és a FieldFox spektrumanalizátor beépített CPM-jével (-20,09 dBm)A kézi spektrumanalizátorok, különösen a FieldFoxhoz hasonlóan masszív felépítésűek, sokkal alkalmasabbak terepi használatra, ezáltal megbízhatóságuk és élettartamuk is sokkal kedvezőbb, mint a környezeti feltételekre érzékeny szenzoros-mérőműszeres változatoké, amelyek inkább laboratóriumi körülmények között teljesítenek jól. Ráadásul alacsony bemeneti teljesítményszintek esetén a teljesítménymérő szenzoroknál átlagolásra van szükség, amely hosszú mérési időt sejtet. Ezzel szemben a hangolt spektrumanalizátoros mérők érzékenysége lényegesen jobb, így rövidebb mérési idő alatt tudják ugyanazt az eredményt biztosítani. A példaként emlegetett FieldFox érzékenysége például -154 dBm/Hz, dinamikatartománya nagyobb, mint 105 dB.
Egy további különbségi tényezőt jelent a frekvenciaszelektivitás. A spektrumanalizátorok a teljesítményt egy adott felbontási sávszélesség (RBW) mellett mérik. Ezzel szemben a teljesítménymérő szenzor a frekvencia tekintetében nem nevezhető szelektívnek, hiszen a teljesítményt a teljes sávszélességen méri, amelybe beleszámít a szenzorba belépő harmonikusok és egyéb jelek teljesítménye is. Mivel a teljesítménymérő szenzoroknál az RBW nem állítható, a legalacsonyabb támogatott jelszint a -70 dBm, ellenben a megfelelően keskenyre konfigurált RBW-vel a spektrumanalizátorokkal sokkal kisebb teljesítményű jelek teljesítménye is mérhető.
Összefoglalás
A mai távközlési és radaros rendszereknél a nagy pontosságú teljesítménymérés elengedhetetlen a berendezések megfelelő működésének biztosítására. Többféle életképes megoldás is létezik a feladat megoldására, amelyek főbb előnyeit és hátrányait is láthattuk. Terepi méréseknél a beépített csatornateljesítmény-mérővel is rendelkező Agilent FieldFox kézi analizátor biztosítja azt az érzékenységet, dinamikatartományt, mérési sebességet és univerzalitást, amely a legtöbb valós igényt képes kielégíteni, és ezért csupán minimális kompromisszumkészséget vár el a felhasználótól a mérési pontosság tekintetében.
