功率测量 功率分析仪

热电偶法

热电偶由两种不同的金属材料组成。如果将热电偶的热节点放在微波电磁场中直接吸收微波功率，热节点的温度会上升，温差会被热电偶检测到，热电势可以作为微波功率的度量。用这种原理设计的功率计称为热电偶功率计。因为功率测量中的热电偶是用薄膜制成的，所以也叫薄膜热电偶功率计。

热电偶功率计由两部分组成:一个用于能量转换的薄膜热电偶底座，将微波能量转化为电动势，一个高灵敏度的直流放大器，用于检测热电电动势。

早期薄膜热电偶功率计的热电偶由铋锑金属薄膜制成，这种热电偶的结构示意图如图2-8所示。图中所示的结构用于同轴电动座椅。热电偶的节点a1、a2置于同轴传输线的高频电磁场中，节点b2、b1、b3分别置于同轴线的内外导体上，其温度保持不变。不输入微波功率时，热电堆节点之间没有温差，所以没有输出。当微波功率输入时，它通过介电基质的电容耦合被传输到Bi-薄膜元件。由于珀尔帖效应，节点a1和a2处的温度上升，这与节点B1、b2和b3产生温差，温差形成热电势，即贝克效应。因为这里的热电堆是串联的，所以总电势等于每对的和。因为热电偶元件可以制成极薄的薄片，所以它具有高功率灵敏度和宽动态范围。

功率指示器是一个高灵敏度的直流放大器。热电偶产生的热电势通过斩波器转换成交流电压，前置放大器提供约60dB的增益。交流信号被放大后进入解调器。解调的输出信号与功率基座吸收的微波功率成比例。为了校正功率指示器的读数，仪器的读数配有一个“校准系数开关”。通过改变其位置，可以相应地改变直流放大器的增益，从而可以校正指示器。

薄膜热电偶功率计具有响应速度快、灵敏度高、动态范围宽、噪声低、零点漂移小等突出优点，适用于许多场合的功率测量。它的缺点是过载能力差。此外，由于其交付。

由于电抗较大，要使这种同轴电源底座工作在18GHz以上是非常困难的。1973年，半导体薄膜热电偶功率计出现。其工作原理与传统的铋锑薄膜热电偶功率计相同，但热电偶材料和电源座的结构有了很大的改进。它在一块0.76平方毫米的硅片上集成了两个热电器件。

甚至。每个热电偶的电阻为100ω。它们并联用于高频，串联用于DC。等效电路如图2-10所示。

为了使尺寸为0.76平方毫米的集成双热电偶芯片的阻抗与同轴传输线匹配，通过共面传输线与同轴线连接，共面线通过渐变线过渡与热电偶连接。这种结构确保热电偶和

同轴线之间良好的阻抗匹配使得功率块在0.01 ~ 18 GHz的频率范围内驻波比小于1.4。为了不干扰热电偶输出的微弱信号，直流放大器的斩波器和前置放大器放在电源座内，然后用电缆与放大器连接。这种功率指示器实现了数字读数和自动操作，不仅可以通过指示器面板上的键盘实现人机对话操作，还具有信息存储和数据处理的能力，从而可以采取一些措施消除和修正误差，提高测量精度。

热阻法

热敏电阻是一种负温度系数的电阻元件。当它的温度上升时，电阻值变小。由于它对温度非常敏感，所以广泛用于微瓦和毫瓦功率测量。热敏电阻多为珠状，直径约为0.05 ~ 0.5毫米，但也有部分为棒状。早期使用的大多数热敏电阻元件都封装在玻璃外壳中。但是，由于玻璃介质的存在，增加了元件的微波损耗。近年来使用的热敏电阻元件具有无壳结构，因此减少了微波损耗。

(1)热敏电阻电动座椅

热敏电阻电源座由热敏电阻元件和座体组成。热敏电阻电源座有波导座和同轴座两种形式。同轴热敏电阻电源底座中使用的热敏电阻元件为双元件结构:两个热敏电阻串联，中心电极与同轴线的内导体相连，两个外电极通过DC隔直电容与同轴线的外导体相连，每个热敏电阻的工作电阻为100ω。这样，它们的阻抗对于DC偏置功率是串联的，对于微波功率是并联的，表现为50ω的阻抗，与同轴线的特性阻抗完全匹配。

波导热敏电阻器支架的工作带宽可以覆盖波导的额定频带。比如3cm波导热敏电阻固定器，可以工作在8.2~12.4GHz的频率范围；8毫米波导热敏电阻器支架可在26.5 ~ 40 GHz的频率范围内工作。

随着微波宽带测量技术的发展，波导热敏电阻座的应用受到八度范围的限制，不能满足宽带测量技术的要求，逐渐被具有宽带特性的同轴热敏电阻座所取代。由于同轴热敏电阻

该基座可以跨越几个倍频程，因此在微波功率测量中得到了广泛的应用。

目前，双热敏电阻元件同轴热敏电阻器的工作频率已经达到18GHz。除了同轴传输线末端的空腔内有一对热敏电阻外，有些热敏电阻在空腔外还有一对热敏电阻(辅助加热)。

热敏电阻对)来补偿环境温度变化对检测热敏电阻的影响，从而可以在功率测量过程中减小环境温度变化的影响。

(2)电源指示器

用热敏电阻测量功率时，惠斯通电桥电路常用作测量和指示装置，如图2.7所示。即电源座中的热敏电阻作为电桥的一个臂，热敏电阻吸收微波功率后电阻发生变化。

来测量微波功率。桥式电路大部分由DC供电，有时由低频电源供电。

根据测量方法，有以下几种电桥:不平衡电桥、平衡电桥(需要两次读数才能计算出测得的功率值)、自动平衡电桥、自动平衡双桥等。后者已成为功率测量电桥的主要类型。

随着微波功率测量技术的发展，早期使用的电桥，如手动动平衡电桥，因其测量精度低、性能不稳定、使用不方便等缺点而被淘汰。现在广泛采用温度补偿双加热。

灵敏电阻自动平衡电桥。这种新桥大大减少了环境温度变化的影响，可以直接读数。因此，它已成为目前功率测量的主要指标。这种电桥的量程是luW~ ~

10mW，测量误差限为0.5% ~ 1.0%。可与热敏电阻配合使用，测量频率高达40GHz的微波功率。

量热仪法

量热计法将电磁能转化为热能来测量。转换器是感应和吸收电磁能量的负载，它被称为热量计。负载吸收功率并转化为热能，从而测量发热体的温升，检测其热电势，根据功率与热电势的关系确定测得的功率。热量计可分为干负荷和流体(水、油等)。)加载。在实际测量中，经常使用替代技术来校准温度测量设备，并且使用已知的DC(或低频)功率来代替被测的射频或微波功率。量热式功率计的工作频段已经达到毫米波段，测量范围可以分别做成大、中、小功率范围。单台仪器的动态范围可达30 ~ 40 dB，测量误差可达千分之几。量热式功率计的主要优点是精度高、可靠性好、动态范围大、阻抗匹配好。缺点是结构和测试技术复杂，对环境温度和测试设备要求苛刻，测试时间长。由于它能获得较高的测量精度，世界各国都采用它作为国家功率标准。采用自动反馈电路可以大大缩短测试时间，提高测量精度。量热式功率计可分为交替式静态量热计和交替式流量量热计，其主要技术指标有:频率范围，同轴系统一般达到10GHz(有的可达18GHz)，波导系统可达毫米波；量程:静态型为10 MW ~ 1 W(有的可达10W)，流量型热量表为2 000 W，例如水负载热量表。误差为3% ~ 10%；电压驻波比约为1.5。

二极管法

在微波功率测量中，晶体二极管是最常用的信号检测器之一，通常用作功率水平的指示器。早期使用的晶体二极管多为点接触硅二极管，由于其结构脆弱、一致性差、稳定性差，只能作为相对水平的指标，而不能作为绝对的功率测量。后来低势垒肖特基二极管采用表面接触型，大大提高了机械强度和稳定性，一致性好。用它制作的电源底座可以测量nW阶的低级电源。

在这种电源中，二极管检波器集成在以蓝宝石为衬底的薄膜电路上，50ω终端负载与同轴线的阻抗相匹配。其驻波系数在0.01 ~ 18 GHz的频率范围内小于1.4，功率灵敏度为500 mV/MW，比热电偶功率底座高3000倍。但由于二极管平方律的限制，这种功率基的最大可测量功率只有10 μ W，当测量功率大于μ W时，探测器的输出电压和输入功率会偏离线性关系，从而引入较大的测量误差。

这种功率架还需要配一个高灵敏度的直流放大器作为功率指示器，这样就形成了二极管功率计。

微量热计法

微量热计法是利用热电阻元件作为量热计，基于量热原理高精度地确定热电阻座的有效功率，然后利用高精度的热电阻座独立测量功率。该方法的优点是精度高、速度快、使用方便。很多国家用它来建立低功耗的国家标准，精度在0.2% ~ 0.5%。

平均功率的测量方法

在DC或低频段，您可以使用瓦特计，直接以瓦特(W)为单位。间接测量常用于高频和微波段，将功率转换成其他物理量进行测量。功率通常用功率表来测量。功率表一般由电源座和电源指示器组成。根据原理，功率测量方法可分为:热敏电阻法、热电偶法和数量法。

温度计法和二极管法。

射频替代法

射频替代法是用相同频率的射频连续波信号替代脉冲信号来测量射频脉冲功率。因此，射频脉冲功率测量简化为连续波功率测量。原理如图2-17所示。测量方法如下。

开关接b通道，被测射频脉冲信号经过定向耦合器和检波器后，由A/D转换器采样，被测脉冲信号的幅度由计算机处理和显示。

打开A通道，调节射频连续波信号源的输出，使电脑上显示的幅度等于脉冲幅度，然后从指示功率表上读取指示功率值。在端口1连接连续波信号源，在端口2连接标准。

功率计。开关再次接通B路，标准功率表读取功率值Ps，指示功率表读取P1值。然后根据公式(2-10)计算测量的射频脉冲功率:

式中，Pp为射频脉冲信号源输出的射频脉冲功率，P1为更换时指示功率表的读数，P1’和Ps为测量时指示功率表的读数。

本方法的测量不确定度由标准功率表、指示功率表、定向耦合器和连接重复性引入的标准不确定度分量组成。射频替代法测量脉冲功率的不确定度约为5%。射频替代法适用于各种矩形和非矩形脉冲调制的峰值功率测量。由于脉冲功率和连续波功率是在功率计上比较测量的，测量的比较分辨率提高了，比示波器高一个数量级。

数量级

连续波比较法

如果晶体检测器对连续波功率和脉冲峰值功率具有相同的响应，则可以利用晶体检测器检测到的脉冲电压幅度与脉冲峰值功率成比例的特性，通过比较方法来测量脉冲峰值功率。

开关连接到通道B，被测脉冲信号经过定向耦合器I、射频开关和峰值检波器，然后送到示波器，在示波器上可以得到脉冲调制的包络和脉冲信号的顶部幅度。

开关接A通道，连续波信号经过定向耦合器II、射频开关、峰值检波器后，存储在示波器上即可得到其幅度。调节可调衰减器的衰减，使连续波信号的幅度与脉冲信号的幅度相同，除了连续波小功率计的指示功率为p。

那么测得的峰值功率电平Pp可以通过以下公式计算:

(2-9)

其中，C1和C2是定向耦合器I和II的耦合度，单位为dB。

连续波比较法测量脉冲峰值功率的测量不确定度由小功率计、定向耦合器和峰值检波器的交流和DC特性以及接头连接的重复性引入的标准不确定度分量组成。

连续比较法可以测量各种矩形调制的脉冲峰值功率，甚至可以测量空比和重复频率不同的脉冲峰值功率；此外，该方法操作简单，测量时间短。

抽样比较法

采样比较法测量脉冲峰值功率的基本原理是:将脉冲调制微波信号与脉冲调制微波信号进行比较。一个幅度可调的辅助连续波信号分别由高速射频开关采样检测，通过幅度比较完成。用标准小功率计可以精确测量连续波功率，用连续波校准两路的路径衰减，然后确定脉冲峰值功率。

抽样比较法的测量过程如下。

(1)程控射频交换机连接到端口1。此时，脉冲调制信号通过程控射频开关经定向耦合器I馈入二极管高速射频开关，二极管开关在与调制脉冲同步的开关脉冲控制下导通。在开关脉冲的持续时间内，脉冲调制信号连接到三个端子，平均功率由连续波功率计测量。同时，在二极管高速射频开关的其他时间，采样的射频信号出现在端子4，由示波器检测并显示，用于监控信号波形。

(2)可编程射频开关连接到端口2。此时，连续波信号通过定向耦合器II馈入二极管高速射频开关。此外，在开关脉冲持续时间期间，脉冲调制信号连接到端口3，并且平均功率由连续波功率计测量。示波器同时显示采样波形。调整连续波信号的幅度，使连续波功率计的指示功率幅度等于脉冲调制信号的指示功率幅度。此时，读取标准小功率计中的连续波功率的指示值，从而也测量校正的脉冲峰值功率。

平均功率法

平均功率法是测量射频脉冲功率的平均值、脉宽和重复频率，然后计算出测得的脉冲功率值。平均功率通常用热敏电阻功率计测量，脉冲宽度和重复频率用示波器测量。

(1)低电平射频脉冲功率测量

脉冲信号源的输出功率由定向耦合器耦合输出，经检波器检波后，用示波器观测脉冲宽度τ、脉冲重复频率f和波形校正系数Kp。同时，用功率传感器和指示器组成的测试电路连接到定向耦合器的输出端，测量其平均功率P，然后根据公式(2-7)计算出被测脉冲信号源的输出脉冲信号功率Pp:

其中Kp为脉搏波形的校正系数，理想矩形脉搏波Kp = 1；P是脉冲功率的平均功率值；τ是脉冲宽度，f是脉冲重复频率。

(2)高水平射频脉冲功率测量

高电平脉冲功率测量原理如图2-14所示。

定向耦合器II用于扩展功率范围，实现高水平的功率测量。根据公式(2-8)

测量的脉冲功率:

其中，C2是定向耦合器II的耦合度，单位为dB。

平均功率法是一种简单的测量脉冲功率的方法，其测量精度主要取决于热敏电阻功率计的测量误差、脉冲参数和定向耦合器的耦合度。一般来说，平均功率法测量射频脉冲功率的不确定度约为10% ~ 20%。另外，平均功率法只适用于空比值恒定的情况，否则无法确定脉冲参数，无法计算出测量的脉冲功率。

另外，用热敏电阻功率计测量脉冲峰值功率时，必须考虑热敏电阻座能承受的最大脉冲功率，否则会烧坏电源座。功率块的功率承受能力有两种表示，一种是最大平均功率，一种是脉冲峰值功率。功率块的单位脉冲承载能力用W. Cape表示。如果测得的脉冲功率超过了电动座椅的规定值，则应在电动座椅的前端串联一个衰减器，以防止电动座椅烧毁。

脉冲功率计法

利用射频脉冲功率计测量脉冲功率是最直接、最简单的测量方法，因此目前被广泛使用。常用的射频脉冲功率计如下。

(1)晶体检测器-视频斩波功率计

被测脉冲的峰值功率通过功分器加到峰值检波器上，被测脉冲电压和DC参考电压通过视频斩波器交替加到示波器上进行比较。调节DC参考电压的幅度，使其等于脉冲电压的幅度，如图2-12所示。根据电压表上的功率刻度值，可以得到被测脉冲峰值功率。

电压表的功率校准值可用连续波功率计校准。在连续波校准中，一个连续波信号源连接到输入端口，一个经过校准的连续波功率计用来代替50ω负载。衰减器用于扩展功率计的量程。

由于这种脉冲功率计采用脉冲波形比较的方法，可以测量脉冲宽度内任意时刻的峰值功率，这种方法简单易行。

(2)射频脉冲峰值功率计

射频脉冲峰值功率计的工作原理是:首先用快速二极管检波器检测射频脉冲包络波形，然后用选通脉冲控制采样保持电路对脉冲包络波形进行采样，并将采样信号放大成数字信号，送入仪器中的计算机。选通脉冲由精确控制的数字延迟装置控制，使得触发脉冲的延迟时间精确地逐渐增加，直到整个脉冲包络被采样。射频脉冲的包络波形由仪表盘上的液晶显示器显示，通过可移动的刻线板读出包络上任意一点的延迟时间和功率电平，进而计算出峰值点的功率电平。

脉冲峰值功率测量方法

脉冲调制射频和微波系统广泛用于通信系统。这种系统的基本参数之一是脉冲峰值功率。脉冲峰值功率是指出现最大脉冲功率的载波周期内的平均功率，脉冲功率是指一个脉冲持续时间内的平均功率。对于理想的矩形脉冲，峰值功率等于脉冲功率。

测量脉冲峰值功率有几种方法:

1.脉冲功率计法

2.平均功率法

3.抽样比较法

4.连续波比较法

5.射频替代法

功率测量

单位时间所做的功叫做功率。功率的国际标准单位是瓦特(W)，意思是1s内完成1J功的功率。在实际应用中，分贝瓦特(dBW)通常用于描述功率的对数单位，以l W作为参考电平。分贝毫瓦(dBm)代表功率的对数单位，以1毫瓦(mW)为参考水平。计算如下:

P(dBW)=l0 lgP(W) ( 2-1)

P(dBm)=10lgP(mW)