Mesure de puissance RF par Keysight

Quelles différences entre les mesures de puissance RF réalisées avec une sonde de puissance ou un analyseur de spectre ?

  • La capacité à effectuer des mesures cohérentes de niveaux de puissance dans les domaines RF ou micro-ondes est essentielle au développement des réseaux et systèmes radio.
  • La réalisation de ces mesures exige un choix judicieux de l’équipement et de la procédure à mettre en oeuvre, afin de s’assurer que les avantages et les limites de ne compromettent pas la validité et l’utilité des mesures.
  • Les équipements modernes, qu’il s’agisse de sonde de puissance ou wattmètre, ou d’un analyseur de spectre avec CPM, peuvent effectuer des mesures sophistiquées sur des signaux complexes.
  • Cependant, leurs spécificités fonctionnelles doivent être bien comprises afin que l’utilisateur puisse être confiant dans les mesures effectuées selon chaque contexte.
  • Giovanni D’Amore, directeur du Marketing chez Keysight Technologies, détaille l’impact des différentes approches de mesure, l’une utilisant une sonde de puissance et l’autre un analyseur de spectre, pour effectuer des mesures de puissance moyenne sur signaux à onde continue (Continuous Wave, CW), multi-tons, 32 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) et pulsés.
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    Les signaux de test proviennent d’un générateur de signaux vectoriels Keysight MXG fournissant un signal de 6 GHz avec une puissance de sortie de -20 dBm.
     
    Les premières mesures de puissance ont été obtenues avec une sonde de puissance USB Keysight U200A connectée à un analyseur de spectre FieldFox N9938A (incluant l’Option 302).

    L’approche basée sur l’utilisation d’un analyseur de spectre fait appel au même système Fieldfox, configuré avec une voie wattmètre (Power Meter) intégrée (CPM, Option 310), connecté au générateur de signaux via un câble coaxial.

 

  •  Mesure d’un signal CW

Les signaux CW (onde continue) ne véhiculent aucune information, par conséquent la puissance moyenne et la puissance crête sont équivalentes, enfin le signal présente une bande passante nulle. Cela signifie que l’équipement de mesure peut utiliser un filtre étroit pour améliorer sa sensibilité (plancher de bruit).

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Figure 1: Mesure d’un signal CW en utilisant (a) un analyseur de spectre et un marqueur, (b) une sonde de puissance et (c) un analyseur de spectre avec CPM (Source: Keysight Technologies)

La figure 1a représente la réponse en fréquence d’un analyseur de spectre typique à balayage fréquentiel, centrée sur l’unique signal CW disponible (single tone) pour une fenêtre de mesure de 500 kHz. La puissance maximale du signal (qui est également sa puissance moyenne) est donnée à -20,08 dBm. La figure 1b montre la puissance moyenne mesurée par la sonde de puissance USB à -20.00 dBm. La figure 7c montre que la puissance moyenne mesurée à l’aide de l’option CPM sur le FieldFox est -20,09 dBm.

Les trois mesures se situent à moins de 0,1 dB les unes des autres, la sonde de puissance ayant la plus haute précision, ou inversement, l’incertitude de mesure la plus faible.

Le système de mesure CPM intégré au FieldFox doit avoir une fenêtre de balayage (span) définie préalablement. Cette fenêtre peut être assimilée à la largeur de bande du signal à mesurer sur l’analyseur.
Dans la figure 1c, le span a été fixé à 100 kHz. Étant donné qu’un signal CW n’a pas de bande passante, la valeur du span paramétrée importe peu. A noter qu’une fenêtre étroite augmente le temps de mesure tandis qu’une fenêtre plus large augmente le bruit et l’incertitude.

 

  • Mesure d’un signal multi-tons

Dans cet exemple, la puissance du générateur de signaux est répartie sur cinq tons, qui sont espacés sur des intervalles de 500 kHz.

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Figure 2: Mesure d’un signal multi-tons à l’aide de (a) l’analyseur de spectre, (b) la sonde de puissance et (c) l’analyseur de spectre avec CPM (Source: Keysight Technologies)

Pour une puissance globale incluant tous les tons de -20 dBm (10 μW), chaque ton présente une puissance de -26,98 dBm (2μW). Une sonde de puissance moyenne mesurera la puissance moyenne de l’ensemble des tons, dans ce cas -20.13 dBm.

Le CPM donne une mesure de -20,2 dBm, avec une plage de mesure intégrant les cinq tons (étalement fréquentiel d’au moins 2,5 MHz, dans notre cas).

Avec une largeur de bande de seulement 200 kHz, seule la fréquence centrale à 6 GHz serait incluse, donnant une mesure de puissance de -27,1 dBm — proche de la valeur théorique de -26,98 dBm pour un seul ton.

Les mesures à porteuse unique ou à largeur de bande spécifiques n’est possible qu’avec un analyseur de spectre, les sondes de puissance n’étant pas sélectives en fréquence.

La puissance crête de ce signal n’est pas la même que sa puissance moyenne, en raison de la relation de phase entre les tons.

Les mesures de puissance crête font appel à une sonde ayant la fonctionnalité de mesure de puissance crête avec un filtre suffisamment large pour traiter tous les tons à la fois.

 

  • Mesurer un signal modulé numériquement

Le signal présenté ici est modulé en 32 QAM avec un débit symbole de 5 Msymbol/s. Les symboles sont filtrés, de sorte que la largeur de bande du signal soit d’environ 8 MHz (voir la figure 3a). La sonde de puissance indique une puissance moyenne de -20,00 dBm (Figure 3b) et le CPM renvoie -20,07dBm (Figure 3c).

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Figure 3: Mesure d’un signal modulé 32 QAM en utilisant (a) l’analyseur de spectre, (b) la sonde de puissance et (c) l’analyseur de spectre avec CPM (Source: Keysight Technologies)

Une sonde de puissance va renvoyer une valeur correcte de puissance moyennée, d’un signal dont la largeur de bande est inconnue, tant que le niveau de puissance et l’occupation fréquentiel du signal correspondent aux spécifications de la sonde. Par contre, une fenêtre de mesure adéquate (en fonction des caractéristiques du signal à mesurer) doit être définie sur le CPM du FieldFox pour effectuer des mesures précises. Pour ce faire, vous pouvez utiliser un analyseur de spectre standard pour visualiser la bande passante du signal inconnu, puis revenir au CPM préalablement configuré avec le paramètre de span adéquat.

 

  • Mesure de signaux pulsés

Concernant les signaux pulsés, le rapport de la largeur d’impulsion (durée de l’impulsion) par rapport à l’intervalle de temps entre les impulsions (sa période) est appelé rapport cyclique (Duty Factor, DF). La puissance crête de ces formes d’onde est la puissance moyenne divisée par le DF, donnant ainsi un train d’impulsions répété.

La figure 4 montre un exemple de mesure du spectre et de la puissance moyenne d’un signal pulsé avec une largeur d’impulsion de 20 μs et un DF de 20%.

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Figure 4: Mesure d’un signal pulsé avec un rapport cyclique de 20% en utilisant (a) l’analyseur de spectre, (b) la sonde de puissance et (c) l’analyseur de spectre avec CPM (Source: Keysight Technologies)

L’affichage de l’analyseur de spectre sur la figure 4a montre une réponse typique « sin(x)/x » en fonction de la fréquence. Les lobes latéraux dans le domaine fréquentiel continuent hors de la fenêtre de mesure d’1 MHz affichée. La mesure de puissance moyenne à l’aide de la sonde, comme le montre la Figure 4b, indique une puissance de -27,01 dBm. La mesure à l’aide du CPM indique une puissance moyenne de -26,8 dBm (Figure 4c).

Pour la mesure CPM, la fenêtre de mesure a été réglée à 3 MHz pour capturer la majeure partie de l’énergie des lobes latéraux du signal sous test. L’augmentation du span à plus de 3 MHz laisse la puissance mesurée inchangée. La puissance crête pour ce signal avec un DF de 20% peut être calculée en augmentant le niveau moyen de 6,99 dB (10log(1/DF)). En utilisant une puissance moyenne mesurée de -27 dBm, la puissance crête est calculée pour atteindre -20 dBm — ce qui correspond au réglage initial du générateur de signaux.

 

  • Détection et filtrage des mesures de puissance crête

Le synoptique d’une sonde de puissance/wattmètre conçu pour mesurer la puissance crête est semblable à celui d’une sonde de puissance moyenne (voir la figure 5). La sonde de puissance crête aura une bande passante plus large et un taux d’échantillonnage plus élevé au niveau de son convertisseur analogique numérique pour l’acquisition de transitions rapides présentes dans les signaux pulsés et à modulations complexes.

En pratique, une sonde de puissance crête typique a deux voies de mesure, optimisées pour mesurer soit la puissance moyenne, soit la puissance crête.

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Figure 5: Schéma fonctionnel simplifié d’une sonde de puissance de crête (Source: Keysight Technologies)

Dans la voie de mesure de puissance crête, la sonde a un schéma de détection à deux niveaux.

Le premier niveau de détection se produit dans l’étage d’entrée où la diode redresse le signal incident. Comme le détecteur à diode est habituellement un dispositif à large bande, la variation rapide de l’enveloppe du signal pulsé est conservée en sortie de l’étage redresseur. Par la suite, le signal est amplifié et filtré. Il est possible que la bande passante du filtre soit sélectionnable, jusqu’à 30 MHz pour les capteurs Keysight P-Series et X-Series, et doit être supérieure au signal mesuré.

Le second niveau de détection se produit après le filtrage, où le CAN échantillonne le signal jusqu’a 1 Géch/s (dans les wattmètres haut de gamme tels que le Keysight 8990). Cette vitesse d’échantillonnage est nécessaire pour capturer précisément la forme du signal testé, afin de pouvoir mesurer et calculer les caractéristiques de puissance crête, de durée d’impulsion, de période, des temps de montée et de descente.

Les sondes de puissance crête peuvent également interagir avec des wattmètres, des analyseurs de spectre et des ordinateurs portables pour les mesures sur le terrain. La section suivante montre comment une sonde de puissance de crête connectée à un analyseur de spectre portable peut être utilisée pour mesurer le profil d’un signal pulsé dans le domaine temporel.

 

  • Effectuer des mesures avec une sonde de puissance crête

La figure 6 montre un exemple de mesure de l’enveloppe de puissance d’un signal pulsé en fonction du temps.

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Figure 6: Mesure d’un signal pulsé en utilisant une sonde de puissance crête connectée à un analyseur de spectre (Source: Keysight Technologies)

Le signal en entrée est un signal modulé par impulsions de 40 GHz avec une largeur d’impulsion de 1 μs et 10% de DF. Il a été capturé à l’aide d’un analyseur de spectre portable Keysight N9344C connecté à une sonde U2020 X-Series USB de puissance crête/moyenne. Dans cette configuration, seule la sonde de puissance doit être calibrée à 40 GHz, l’analyseur de spectre étant uniquement utilisé comme interface d’affichage et de contrôle.

En utilisant ce type de sonde de puissance, un analyseur ou un wattmètre peuvent afficher la puissance crête, la puissance moyenne et des caractéristiques de signaux tels que les temps de montée et de descente. L’affichage de marqueurs sur l’instrument peut mettre en évidence des données temporelles et niveaux de puissance spécifiques du signal capturé. Les wattmètres de Keysight ont des largeurs de bande allant jusqu’à 30 MHz, ce qui permet de mesurer les temps de montée et de descente des ondes jusqu’à 13 ns.