淺析:射頻功率計原理、分類(lèi)、指標及應用

發(fā)布時(shí)間:2020-3-4 13:42    發(fā)布者:len123123
淺析:射頻功率計原理、分類(lèi)、指標及應用
一、功率計概述
在直流和低頻時(shí),功率測量可以通過(guò)電流電壓的測量來(lái)完成。但是當信號的頻率高于幾十兆赫甚至上百吉赫時(shí),工作波長(cháng)已經(jīng)與測量裝置的尺寸相近,電流和電壓隨傳輸線(xiàn)的位置而變化,因此電流和電壓不再適用測量。微波功率是描述信號大小和信號通過(guò)電子系統或傳輸線(xiàn)時(shí)能量傳輸特性的量,它是電子計量中最重要的參量之一,是微波信號傳輸中更通用的測量參數。
測量微波功率最常用的是“測熱”的方法,即把微波功率轉換成熱能,然后用測熱的方法進(jìn)行測量。常用的測熱式功率測量?jì)x器有量熱式功率計、熱敏式功率計、熱電偶式功率計。此外,還有用其他物理效應進(jìn)行功率測量的功率計,例如二極管檢波功率計。
二、功率測量概念
微波功率的幾個(gè)不同表達式
功率的單位是瓦特,用符號w表示,1W=1J/s,它是國際單位制(SI)基本單位導出的。為了使用方便,還有其他的表示形式:千瓦(1kW=103w)、亳瓦(1mW=10-3w)、微瓦(1μW=10-6W),等等。
   上面功率的定義都是線(xiàn)性表達形式,還有對數表示,最常見(jiàn)的對數形式就是分貝毫瓦(dBm),表達式如下:PdBm=10lg(P/1mW)
   其中,P的單位為mW。在很多情況下,例如為了測量增益或衰減,需要得到兩個(gè)功率的比值,而不是絕對功率。相對功率是一個(gè)功率值P和其他參考功率值Prer的比值,相對功率通常表示為對數的形式: PdBm=10lg(P/Prer)  
使用對數表示相對功率有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):
(1)相對功率較大時(shí)使用對數表示比較方便,dB是一個(gè)比較“大”的量,例如相對功率-150~60dB,如果用線(xiàn)性表示10-15-1016,線(xiàn)性比值非常大,表示及不方便;
(2)對數表示在級聯(lián)系統中計計算增益比較方便,它用加減替代了線(xiàn)性計算過(guò)程中的乘減關(guān)系。
三、功率計種類(lèi)
(1)熱敏式功率計
測輻射熱器的基本原理:對于高頻和微波小功率的測量,測輻射熱器法是一種最常用的方法。測輻射熱器是一種對溫度極其敏感的電阻。當它吸收功率時(shí),其電阻值將發(fā)生明顯的變化。使用電橋電路,可以檢測出電阻的變化,從而確定它所吸收的功率。
(2)熱電偶式功率計
熱電偶的基本原理:熱電偶是由兩種不同材料的金屬組成的。若它的兩個(gè)節點(diǎn)處于不同的溫度,便有熱電勢產(chǎn)生,且熱電勢與兩個(gè)節點(diǎn)之間的溫度差成正比。對于不同的材料組合,其熱電勢也不盡相同。
當兩個(gè)不同材料的金屬節點(diǎn)之間由于熱效應發(fā)生自由電子移動(dòng)時(shí),兩種不同的金屬產(chǎn)生自由電子密度不同,產(chǎn)生的湯姆森電動(dòng)勢也不同,這種現象叫作珀耳帖效應。
(3)二極管式功率計
二極管功率計的基本原理:二極管通過(guò)整流特性將AC信號轉化為DC信號。普通的硅P-N結二極管就可以作為高頻信號檢波器,但是充放電效應限制了P-N結的帶寬。肖特基二極管在節點(diǎn)處沒(méi)有充放電效應,在校信號時(shí)呈現高阻特性。
三、功率計主要指標
微波功率計的主要技術(shù)指標功率計的主要技術(shù)指標包括:頻率范圍、功率測量范圍、參考校準源功率準確度、功率傳感器線(xiàn)性度、功率傳感器阻抗特性。
1)頻率范圍
頻率范圍指的是能滿(mǎn)足功率計各項技術(shù)指標要求,保證功率計可靠工作的輸入信號的頻率范圍。無(wú)論是熱敏功率計、熱偶功率計或二極管功率計,功率測量功能主要依靠功率傳感器熱效應或二極管檢波完成,功率計部分的主要作用是放大、測量功率傳感器檢測后的輸出信號,因此該指標主要取決于功率傳感器。例如某型號功率傳感器,廠(chǎng)家給定的頻率范圍是10MHz~ 18GHz,表示該功率傳感器只能測量頻率范圍在10MHz~ 18GHz內的微波信號的功率,如果被測信號的頻率超出該頻率范圍,那么功率計測量結果的準確性無(wú)法得到保證,測量結果無(wú)效。
2)功率測量范圍
功率測量范圍是功率計所能準確測量的最小功率到最大功率的范圍。其下限主要取決于功率傳感器的靈敏度,上限是功率傳感器的損壞電平功率。如果被測信號的功率小于或接近傳感器測量的下限,那么功率傳感器本身的噪聲電平會(huì )對測量結果產(chǎn)生很大的影響;如果被測信號的功率大于傳感器測量的上限,那么測量結果會(huì )產(chǎn)生非線(xiàn)性失真,更嚴重的情況可能會(huì )損壞功率傳感器。
3)參考校準源
參考校準源是功率計內部輸出lmW的高精度功率源。功率計每次進(jìn)行功率測量之前,需要對功率傳感器進(jìn)行清零和自校操作,自校的過(guò)程是將功率傳感器連接到功率計的參考校準源,然后功率計內部進(jìn)行調整和補償,使得功率傳感器測量結果為ImW。因此參考校準源的準確度比功率傳感器要高,通常需要使用量熱式功率計校準參考校準源的準確度。
4)功率測量線(xiàn)性度
在熱偶功率傳感器中,熱電偶元件既是吸收高頻功率的負載,又是熱電轉換元件。由于熱電偶的非線(xiàn)性,使功率靈敏度隨著(zhù)功率電平的變化而發(fā)生變化。在某功率電平下 校準的功率靈敏度具有一個(gè)特定的值。這樣在不同的功率電平上測量時(shí),將引入一項非線(xiàn)性誤差。對鉍一銻薄膜型熱電偶座,當功率變化10dB時(shí),功率靈敏度將變化5%左右,這就給熱電偶的校準和使用帶來(lái)了非線(xiàn)性誤差。為了減小或消除非線(xiàn)性誤差,需要增加相應于功率電平的修正系數。
在二極管功率傳感器中,其功率測量區分為:平方律區、過(guò)渡區和線(xiàn)性區3部分。每個(gè)區域輸出電壓和輸入電壓的轉換關(guān)系不同,當二極管的檢波特性開(kāi)始偏離平方律時(shí),輸出電壓與輸入電壓不再成正比,會(huì )產(chǎn)生線(xiàn)性誤差。
5)功率傳感器的阻抗特性
功率傳感器的阻抗特性可用反射系數、回波損耗或電壓駐波比(VSWR)來(lái)表征。反射系數、回波損耗和電壓駐波比。
傳感器的設計和制造過(guò)程中,總是盡可能減少電壓駐波比的影響,最大限度的減少功率傳感器反射造成的功率測量的不確定度。
四、校準信號發(fā)生器輸出功率典型應用
信號發(fā)生器的實(shí)際輸出功率總會(huì )隨著(zhù)時(shí)間、頻率有微小的變化,要使到達被測設備的功率盡可能的精確,就需要實(shí)時(shí)對輸出功率進(jìn)行監控和調節,傳統的功率傳感器無(wú)法單獨完成這樣的任務(wù),必須外接功分器實(shí)現。
這種方法可以在調節信號源輸出功率的同時(shí),監控到達被測設備的輸入功率,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。為了解決該問(wèn)題,R&S公司專(zhuān)門(mén)推出了NRP-Z28 (頻率范圍10MHz~ 18GHz)、NRP-Z98 (頻率范圍9kHz 6GHz)系列電平控制傳感器,包括了一個(gè)低反射系數的功分器和一個(gè)多通道的二極管功率傳感器,探頭結構及其工作原理如圖下圖所示。
射頻輸入信號經(jīng)過(guò)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(shí)現精確的功率測量,然后測試數據通過(guò)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(shí),由于NRP系列探頭的測量與數據處理一體化優(yōu)勢,可以直接將探頭USB輸出連接到SMU200A/SMJ/SMATE/SMA/SMB/SMFR&S公司的數字、射頻、微波信號源上,如圖6-26所示?芍苯釉谛盘栐唇缑嫔贤瓿呻娖降木_測量和調整,確保到達被測單元的功率值的精確性。
如果在NRP-Z28/Z98功率傳感器與被測設備之間還存在轉接頭、衰減器或其他連接電纜等二端口網(wǎng)絡(luò ),還可以用去嵌入方式實(shí)現S參數修正,其修正原理如圖6-27所示,該二端口網(wǎng)絡(luò )的4個(gè)S參數可以用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀測量得到一一個(gè)S2P文件來(lái)描述,再通過(guò)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。

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