如何透過精準的 RF 功率量測，最大化 LoRa 裝置的長距離傳輸效能
- Sonya Chan
- 10月19日
- 讀畢需時 5 分鐘
概覽：精準功率量測對於 LoRa 物聯網應用的重要性
LoRa（Long Range，長距離）是目前最受歡迎的低功耗無線感測器網路技術之一，專為物聯網（IoT, Internet of Things） 部署而設計，與 Zigbee 等技術相比，LoRa 提供了更遠的通訊距離。其名稱即源自「長距離」，運作於免授權的 ISM（Industrial, Scientific and Medical）頻段，LoRa 是一種專有的實體層無線通訊技術，其調變技術源自啁啾展頻（CSS, Chirp Spread Spectrum）。
這種低功耗廣域網路（LPWAN, Low-Power Wide-Area Network） 技術的獨特優勢，使其成為智慧城市、資產追蹤、智慧農業與工業 4.0 監控等應用的理想選擇，然而，要充分發揮 LoRa 的核心優勢（也就是「長距離」），開發工程師面臨一項關鍵挑戰：必須將裝置的發射功率（TX power）最大化，使其盡可能接近法規允許的上限，但又絕對不能超過。
這個痛點非常明確：
功率過低： 將導致傳輸距離縮短，犧牲了 LoRa 最主要的市場競爭優勢。
功率過高： 將觸發電磁干擾（EMI, Electromagnetic Interference） 問題，導致無法通過法規認證，造成產品延遲上市甚至召回。
量測工具不精確： 傳統的示波器或頻譜分析儀，在量測絕對功率時的精確度有限，其固有的量測不確定性可能高達 1 至 2 dB，對於需要在法規限制邊緣進行精確調校的工程師而言，這樣的誤差範圍是難以接受的。
成本考量： 高精度的 RF 功率計通常價格不菲，對於預算有限的學術單位、小型研發實驗室或廣大的 LoRa 開發愛好者社群而言，構成了不小的進入門檻。
因此，市場迫切需要一種高成本效益且具備絕對精確度的功率量測方案，協助工程師在效能與合規性之間找到最佳平衡點。
測試任務
要充分發揮 LoRa 的長距離特性，最佳方式是在不超過法規限制的前提下，將容許的發射功率最大化，問題在於，該如何挑選出具有最佳傳輸特性的 LoRa 裝置呢？
Rohde & Schwarz 解決方案
執行精確功率量測的最佳方法，就是使用專為高精度功率量測任務而設計的儀器，也就是 RF 功率感測器，RF 功率感測器 能夠量測功率，其精確度比示波器、甚至高階頻譜分析儀高出一個數量級。
由於 RF 功率感測器 可以極高的精確度量測絕對功率，因此最適合用於精確的功率量測，然而，最先進的功率感測器通常需要一筆可觀的投資，這對於業餘愛好者、大學或小型研發服務實驗室而言，可能難以負擔，新型 R&S®NRPxE 系列二極體功率感測器 則同時考量到了這些成本因素。
該系列是 Rohde & Schwarz 產品組合中最經濟實惠的 RF 功率感測器 產品線，同時仍支援高精度的功率量測，對於典型的 LoRa 裝置驗證 測試配置，還需要以下額外設備：
一套由高品質 RF 元件組成的特性分析訊號鏈，用以耦合至待測物（DUT, Device Under Test）
電纜與連接器
衰減器與耦合器，用以將訊號調整至 0 dBm 左右，這是 RF 功率感測器 最理想的量測電平
一台向量網路分析儀（VNA, Vector Network Analyzer），用於對訊號鏈進行特性分析
量測任務包含以下步驟：
設定裝置的訊號路徑並對其進行特性分析。
使用 RF 功率感測器 量測 LoRa 裝置的輸出訊號，並將量測損耗納入考量。
挑選出最佳的 LoRa 裝置，並將天線饋電點的功率調校至適當電平。
在裝置處於常規使用狀態時，對其進行後續檢查。
額外的提示與最佳實踐
以下說明一些額外的提示與最佳實踐：
使用經濟實惠的 VNA 對耦合器與衰減器進行特性分析，然後將產生的 .s2p 檔案 上傳至 R&S®NRPxE 二極體功率感測器，並啟動校正資料，以補償訊號路徑損耗。
使用扭力扳手施加適當的扭力鎖緊接頭。
對於調變訊號或啁啾（chirp）／叢發（bursted）／脈衝訊號，請將孔徑時間（aperture time） 設定為整數個週期的持續時間，理想情況下至少為三個週期。
「工作週期」（duty cycle） 功能可考量訊號的開啟／關閉時間，以便量測真實的平均功率。
使用平均濾波器（averaging filter），該功能會利用多個孔徑週期來計算更精確的平均值，能進一步改善量測結果。
額外優勢：行動量測
精確的功率量測通常需要搭配精密的測試與量測（T&M）設置，然而，精密的設置可能並非隨時可用，此外，有時能快速讀取精確的功率值也會非常方便，透過從官方行動 Android 應用程式商店免費下載的 R&S®PowerViewer mobile app，現在使用者可以將 R&S®NRP 功率感測器 連接至手機上進行量測，所需的 R&S®NRP-ZKC 介面電纜 附有相應的 USB-C 連接器。
相關產品重點
R&S®NRPxE 系列功率感測器
R&S®NRPxE 是一款經濟實惠、高可靠度且精確的 USB 功率感測器，專為研發、生產、教育與維護應用而設計。
關鍵特色：
具備高達 80 dB 的寬廣動態範圍。
採用 USB TMC（Test and Measurement Class） 介面，易於整合與遠端控制。
支援連續平均、軌跡（Trace） 以及時閘（Time Gate） 功率量測功能。
擁有堅固耐用的外殼，適用於實驗室或現場環境。
可搭配 R&S®PowerViewer mobile app，直接在 Android 智慧型手機上進行行動量測。
R&S®NRX 功率計
R&S®NRX 是一款多功能的功率計主機，為高階研發、生產與校準實驗室提供卓越的量測彈性與易用性。
關鍵特色：
配備清晰的 5 吋 TFT 彩色觸控螢幕，提供直覺的圖形化使用者介面（GUI）。
標準配備一個量測通道，並可選配擴充至兩個或四個量測通道，支援多通道平行量測。
支援 Rohde & Schwarz 旗下所有的 NRP 系列感測器，包含二極體、熱敏式與寬頻感測器。
可同時顯示數值與圖形結果，並能執行比率、SWR、回波損耗（return loss） 與反射係數等進階計算。
提供 USB、乙太網路（Ethernet） 與選配的 GPIB 介面，便於系統整合。
