電平控制探頭可以精確產生所需要的信號功率，可用于頻譜儀、接收機等儀器的計量，也可以用于精確的系統增益評估等應用。傳統的校準解決方案都是采用外置功分器并外接功率計的方式來實現精確功率的產生。

一、精確控制輸出功率的傳統解決方案

信號源的真實輸出功率總會隨著時間、頻率有微小的變化，要使到達被測件的功率盡可能精確，就需要實時地對輸出功率進行監控和調節，傳統的功率探頭無法單獨完成這樣的工作，必須外接功分器來實現，如圖1所示，其中UUT為被測單元，如接收機、頻譜儀或者需要精準功率的射頻微波模塊。

圖1. 外接功分器的解決方案

這種方法可以在調節信號源輸出功率的同時，監控到達UUT的輸入功率，但是由于外接功分器的駐波特性的不理想，對信號源輸出信號的不確定度有影響，對UUT端口的實際功率無法精確的控制。

為了精確的控制到達被測單元的功率值，必須在UUT處放置另一臺功率計或功率探頭來保證精度。測試配置如圖2所示。信號源輸出經過功分器，在一個端口用探頭A監測，另一個端口UUT接收，但需要另一個探頭B來保證精度，信號電平精度得到了保證，但是配置和測試過程復雜，成本高。

圖2. 實時監控UUT輸入功率值的測試配置

二、NRP系列功率探頭的優勢

傳統的功率測量必須具備功率計主機以及不同頻率和功率測試范圍的功率探頭，才能完成測試，在測試前還需要用一個0dBm的校準信號進行功率計校準。

R&S NRP系列功率探頭采用了全新的智能功率測量技術，探頭本身就是一臺功率計，探頭后面的連接線僅用來傳輸測試數據，實現了功率測量和數據處理的一體化，測量前只需在探頭空載時進行清零操作，便可開始精確的功率測量，可以測量平均功率、時隙功率、突發功率等，如果采用NRP-Z81峰值探頭，還可以實現峰值功率測量，可測量的最小脈沖分辨率達到了12.5ns，最大帶寬為30MHz。

先進的技術使得NRP系列功率探頭的應用更為方便靈活，典型應用方式為以下三種：
a) 可以直接連接功率計主機，得到功率測試結果；
b) 通過USB接口與PC相連，使用軟件NRPview或編程實現功率測量；
c) 連接R&S 公司的信號源、頻譜儀、矢網、接收機等儀器，實現功率測量。

三、R&S 電平控制探頭的解決方案及應用

R&S NRP-Z28（頻率范圍10MHz~18GHz）、NRP-Z98（頻率范圍9kHz~6GHz）系列電平控制探頭，包括了一個低反射系數的功分器，和一個多通道的二極管功率探頭，探頭結構及其工作原理可參見圖3，
射頻輸入信號經過功分器，一路輸出到射頻輸出，另一路到內置的功率探頭內，實現精確的功率測量，然后測試數據通過USB接口輸出。

R&S NRP-Z28/Z98系列探頭把功分器和功率探頭很好地結合在一起，減少了外部功分器的連接不便與不確定性因素。同時，由于NRP系列探頭的測量與數據處理一體化優勢，可以直接將探頭USB輸出連接到SMU200A/SMJ/SMATE/SMA/SMB/SMF等R&S公司的數字、射頻、微波信號源上。可直接在信號源界面上完成電平的精確測量和調整，確保到達被測單元的功率值的精確性。

圖3. R&S NRP-Z28/Z98 的結構及其工作原理

在圖4中可以看到，而如果沒有NRP-Z28/Z98的修正，信號源輸出功率隨著頻率變化可能有零點幾dB的偏差（藍色曲線），該偏差由于信號源頻率響應或端口駐波的影響而產生，無法滿足精確測量的要求，而采用電平控制探頭可以精確的對信號源頻響和端口駐波的影響進行補償，圖中上面的粉紅色曲線是經過NRP-Z28/Z98修正后的電平輸出(粉紅色曲線)非常精確穩定。

圖4. 帶電平修正和不帶電平修正的差別

NRP-Z28/Z98與信號源有兩種連接方式，在圖5中，左邊是帶功率計主機的方式，右邊是直接連接信號源的方式，第二種連接更為簡單方便，可以直接在信號源的屏幕上進行精確的電平調節，操作界面如圖6所示。

圖5. 兩種電平控制探頭的連接方法

圖6. 在信號源SMU界面直接進行功率的測量與調節

四、保證測試準確度

由于反射系數的影響，會引入測量的不確定度，NRP系列探頭可以把反射系數考慮進去，對結果進行伽馬（
）修正，NRP-Z28/Z98探頭與UUT之間的失配不確定度可以進一步減小。反射系數
對測試結果有影響，有反射存在時，功率計測量的功率值與發射功率并不相等，此時存在反射功率P.

圖7. 反射系數
對測量結果的影響

描述復數阻抗輸入端反射波的幅度和相位。負載端的反射系數用
L描述，信號源端的反射系數用
G描述，則入射功率Pi與發射功率PGZ0之間的關系如下，

用描述反射系數的幅度，這樣入射功率與信號源發射功率之間滿足如下關系式，該關系式就代表了輸入功率的不確定度。

如果要對反射特性進行修正，則必須知道源和負載的反射系數，探頭端的反射系數由探頭自身給出，信號源的反射系數可以用矢量網絡分析儀測量S11參數得到，伽馬修正的實現原理如圖8所示。

圖8. NRP功率計伽馬修正的實現

如果在NRP-Z28/Z98探頭與UUT之間還存在轉接頭、衰減器或其它連接電纜等二端口網絡，還可以用去嵌入方式實現S參數修正，其修正原理如圖9所示，該二端口網絡的4個S參數可以用矢量網絡分析儀測量得到一個S2P文件來描述，再通過USB接口把S2P文件下載到探頭中，完成測試結果的S參數修正。

圖9. NRP功率計S參數修正的實現

與普通的NRP終端式功率探頭類似，NRP-Z28/Z98系列電平控制探頭的S參數修正的實現如圖10所示。通過把二端口網絡的四個S參數存儲在S2P文件里，再通過USB接口下載到探頭內即可自動完成修正，可以實現更精確的功率調節與測量，減小了測量不確定度。

圖10. NRP-Z28/98探頭S參數修正的實現

參考文獻：

1. R&S®NRP-Z28/Z98 Level Control Sensor Technical Information, ROHDE & SCHWARZ.
2. R&S®NRP-Z28/Z98 Level Control Sensor User Manual, ROHDE & SCHWARZ.
3. Program for Measurement Uncertainty Analysis with Rohde & Schwarz Power Meters.
Application Notes, 1GP43, ROHDE & SCHWARZ.