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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)電流和電壓的測量來(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。
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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