功率测量的方法

功率测量的方法热电偶法热电偶是由两种小同的金属材料组成的。如果把热电偶的热节点置于微波电磁场中，使之直接吸收微波功率，热节点的温度便上升，并由热电偶检测出温度差，该温差热电势便可作为微波功率的量度。用这种原理设计成的功率计称为热电偶式功率计。又因功率测量中热电偶是做成薄膜形式的，故又叫薄膜热电偶式功率计。热电偶式功率计由两部分组成：一个用于能量转换的薄膜热电偶座，它将微波能量转化为电动势，另一个是高灵敏度的直流放大器，用来检测热电动势。早期的薄膜热电偶式功率计的热电偶是用铋．锑金属薄膜制成的，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功率座。热电偶的节点al和a2置于同轴传输线的高频电磁场，节点b2，b1，b3分别置于同轴线的内、外导体上，它的温度保持不变。当微波功率未输入时，热电堆节点之间没有温差，因而没有输出。当微波功率输入时，通过媒质基体的电容耦合，传输到铋-锑薄膜元件，由帕尔帖效应，在a1，a2节点的温度升高，这就与节点bl，b2，b3产生温差，由温差形成热电势，即贝克塞效应。由于这里的热电堆是串联的，因此，总电势等于每对的和。由于热电偶元件可以制成极薄的片状，因此功率灵敏度较高，动态范围也很宽。功率指示器是一个高灵敏度的直流放大器，图2-9所示为其原理图。热电偶产生的热电势经斩波器转换成交流电压，前置放大器提供了大约60dB的增益。交流信号放大后进入解调器。解调后的输出信号与功率座吸收的微波功率成正比。为了便于修正功率指示器读数，仪器的读数设有“校准系数开关”，改变其位置，就可以使直流放大器的增益随之变化，从而使指示器得到修正。薄膜热电偶式功率计具有响应速度快，灵敏度高、动态范罔宽、噪声低和零点漂移小等突出优点，适用于多种场合下的功率测量。它的缺点是过载能力差。此外，由于它的寄牛电抗大，要使这种同轴功率座工作到18GHz以上是很困难的。1973年出现了半导体薄膜热电偶式功率计，它的工作原理同传统的铋一锑薄膜热电偶式功率计相同，但在热偶材料和功率座的结构上做了大的改进。它是在一个0.76mm平方大小的硅片上集成了两个热电偶。每个热电偶的电阻为100Ω，它们对高频是并联的而对直流是串联的，其等效电路如图2-10所示。为了使0.76mm平方人小的集成式双热电偶芯片与同轴传输线的阻抗相匹配，用共面传输线将它与同轴线相连接，共面线通过一段渐变线过渡与热电偶相接。这种结构保证了热电偶与同轴线之间的良好阻抗匹配，从而使功率座的驻波比在0.01～18GHz频率范围内小于1.4。为了不使热电偶输出的微弱信号受到干扰，直流放大器的斩波器和前置放大器置于功率座内，然后用电缆与放大器连接。这种功率指示器实现了数字化读数和自动化操作，不仅能通过指示器面板上的键盘实现人机对话式操作，还具有信息存储和数据处理能力，从而能够采取某些措施消除和修正误差，提高了测量准确度。热敏电阻法热敏电阻是一种具有负温度系数的电阻元件，当它的温度升高时，电阻值就变小。由于它对温度非常敏感，因此被广泛的用于微瓦和毫瓦级的功率测量中。热敏电阻大都为珠形，其直径约为0.05～0.5mm，但也有杆形的。早期使用的热敏电阻元件大多用玻璃壳封装。然而，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为无外壳结构，因而减少了微波损耗。(1)热敏电阻功率座热敏电阻功率座是由热敏电阻元件和座体组成。热敏电阻功率座有波导座和同轴座两种形式。在同轴热敏电阻功率座中使用的热敏电阻元件是双元件结构：两个热敏电阻串联连接,中心电极与同轴线的内导体相接，两个外电极经过隔直电容器与同轴线的外导体连接，每个热敏电阻的工作阻值为100Ω。这样它们的阻抗对直流偏置功率是串联的，而对微波功率是并联的，呈现50Ω的阻抗，正好与同轴线的特性阻抗匹配。波导热敏电阻座的工作带宽能覆盖波导的额定频段。例如，3cm波导热敏电阻座能工作在8.2～12.4GHz频率范围；8mm波导热敏电阻座能工作在26.5～40GHz频率范围。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倍频程的限制，已不适应宽频带测量技术的要求，逐渐被具有宽频带特性的同轴热敏电阻座所代替。由于同轴热敏电阻座能跨越几个倍频程，因此已被广泛地应用于微波功率测量。目前，具有双热敏电阻元件的同轴热敏电阻座的工作频率已达到18GHz。有的热敏电阻座除了同轴传输线末端的腔体内有一对热敏电阻外，在腔体外部，另有一对热敏电阻(副热敏电阻对)，以补偿环境温度变化对检测热敏电阻的影响，这样在功率测量过程中可以减少环境温度变化的影响。(2)功率指示器用热敏电阻测量功率时，最常用的是惠斯通电桥电路作为测量和指示装置，如图2.7所示。即把功率座中的热敏电阻作为电桥的一个臂，利用热敏电阻吸收微波功率后阻值的变化来测量微波功率。电桥电路多为直流电源供电，有时也利用低频电源供电。按测量方法分，有如下几种电桥：不平衡电桥、平衡电桥(需要两次读数来计算被测功率值)、自动平衡电桥、自动平衡双电桥等。后者已成为功率测量电桥的主要型式。随着微波功率测量技术的发展，早期使用的电桥，如手动平衡电桥等，由于它们的测量准确度低、性能不稳定、使用不方便等缺点，已被淘汰。现在广泛使用的是温度补偿式双热敏电阻自动平衡电桥。这种新型电桥大大降低环境温度变化所带来的影响，而且又能直接读数。因而它己成为目前主要使用的功率测量的指示器。这类电桥测量功率的量程为luW～10mW，测量误差限为0.5％～1.0％。它与热敏电阻配合使用，可测量频率高达40GHz的微波功率。量热计法量热计法是将电磁能量转换成热能来测量。变换器是感应、吸收电磁能量的负载，称为量热体。负载吸收功率，使之转换成热能，从而量热体温度上升，检测其温差热电势，根据功率和热电势间的关系来确定被测功率。量热体有干负载、流体(水、油等)负载之分。实际测量中常采用替代技术来校准温度测量装置，用已知的直流(或低频)功率来替代被测射频或微波功率。量热式功率计的工作频段已达毫米波段，量程可分别做成大、中、小功率范围，单个仪器动态范围达30～40dB，测量误差可达千分之几。量热式功率计的主要优点是准确度高、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，而且测试时间长。囚它能获得很高的测量准确度，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大大缩短测试时问，改善测量的精密度。量热式功率计可分为替代静止式和替代流动式量热计，其主要技术指标为：频率范围，同轴系统一般到10GHz(有的可达18GHz)，波导系统可达毫米波；量程，静止式为10mW～1W(有的可达10W)，流动式量热计常用来测量大功率，例如水负载量热计，量程可达2000W；误差为±3％～±10％；电压驻波比为1．5左右。二极管法在微波功率测量中，晶体二极管是一种最常用的信号检波器，经常用作功率电平的指示器。早期使用的晶体二极管大多是点接触式硅二极管，由于结构脆弱、一致性差、稳定性不好等缺点，仅能作为相对电平的指示，而不能用作绝对功率测量。而后来出现的低势垒肖特基二极管，采用面接触式，机械强度和稳定性得到很大的提高，一致性好。用它制造的功率座可测量nW量级的低电平功率。在这种功率中，二极管检波器被集成在以蓝宝石为衬底的薄膜电路上，并有一个50Ω的终端负载与同轴线的阻抗相匹配，它在0．01～18GHz频率范围内的驻波系数小于1.4，功率灵敏度为500mV／mW，比热电偶功率座高3000倍。但由于二极管平方律范围的限制，这种功率座的最大可测功率仅为10μW。当被测功率大于μW时，检波器的输出电压与输入功率之间就会偏离线性关系，于是引入较大测量误差。这类功率座也需配备高灵敏度的直流放大器作为功率指示器，从而组成二极管式功率计。微量热计法微量热计法用测热电阻元件作为量热体，用量热计法原理高准确度确定测热电阻座的有效功率，然后用测热电阻座配以高准确度的电桥来单独测量功率。这种方法的优点是准确度高，速度快和使用方便。许多国家都用它建立小功率国家标准，准确度达±0.2％～±0.5％。平均功率的测量方法在直流或低频段可使用直接按瓦特(W)刻度的瓦特表。面在高频和微波段常采用间接测量，将功率转化为其他物理量进行测量。功率往往采用功率计进行测量。功率计一般是由功率座和功率指示器组成。功率的测量方法根据原理可以分为：热敏电阻法、热电偶法、量热计法和二极管法。射频替代法射频替代法是在相同的频率下，用射频连续波信号代替脉冲信号，实现对射频脉冲功率的测量。因此，就把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。开关接通B路，被测射频脉冲信号经过定向耦合器和检波器后，由A/D变换器采样，计算机处理并显示出被测脉冲信号的幅度值。开关接通A路，调节射频连续波信号源的输出，使其在计算机上显示的幅度与脉冲幅度相等，这时从指示功率计读取指示的功率值只。在端口1接连续波信号源，在端口2接标准功率计。开关再次接通B路，由标准功率计读取功率值Ps，同时由指示功率计读取值P1'。然后按照式(2-10)计算被测射频脉冲功率：式中，Pp为射频脉冲信号源输出的射频脉冲功率，P1为替代时指示功率计的读数，P1’和Ps均为测量时指示功率计的读数。本方法的测量不确定度是由标准功率计、指示功率计、定向耦合器和连接不重复性等引入的标准不确定度分量构成。用射频替代法测量脉冲功率的测量不确定度约为5％左右。射频替代法适用于各种矩形、非矩形脉冲调制的峰值功率测量。由于脉冲功率与连续波功率是在功率计上进行比较测量，故提高了测量的比较分辨力，比用示波器作比较指示要高一个数量级。连续波比较法如果晶体检波器对连续波功率和脉冲峰值功率具有相同的响应，利用晶体检波器检波后的脉冲电压幅度与脉冲峰值功率成正比的特性，可以用比较的方法来测量脉冲峰值功率，测量原理框图如图2-16所示。开关接通B路，被测脉冲信号经过定向耦合器I、射频开关和峰值检波器后，送到示波器，在示波器上可以得到脉冲调制的包络及脉冲信号的顶部幅度。开关接通A路，连续波信号经过定向耦合器II、射频开关和峰值检波器后，存示波器上可以得到连续波信号幅度。调节可调衰减器的衰减量使连续波信号的幅度与脉冲信号的幅度相同，只是在连续波小功率计的指示功率为P。那么被测得峰值功率电平Pp可以用下式计算：（2-9）式中，C1，C2为定向耦合器I、II的耦合度，单位为dB。用连续波比较法测量脉冲峰值功率的测量不确定度是由小功率计、定向耦合器、峰值检波器的交直流特性及接头连接不重复性等引入的标准不确定度分量所构成。采用连续比较法可以测量各种矩形调制的脉冲峰值功率，甚至是不同的，与空比和重复频率的脉冲峰值功率；另外，该方法操作较简单，测量时间短。取样比较法取样比较法测量脉冲峰值功率的基本原理是：将脉冲调制的微波信号与。个辅助的幅度可调的连续波信号，通过高速射频开关分别取样和检波，通过幅度比较完成的。连续波功率可以用标准小功率计精确测出，两个通路的路径衰减可以用连续波定标，那么脉冲峰值功率就确定了。图2．15所示为取样比较法的原理框图。取样比较法的测量过程如下。(1)程控射频开关接到1端口，这时脉冲调制信号经定向耦合器I通过程控射频开关馈入二极管高速射频开关，二极管开关受与调制脉冲同步的开关脉冲控制而开启。在开关脉冲的持续时间内，脉冲调制信号接到3端，并由连续波功率计测出平均功率。同时，在二极管高速射频开关的其他时间，在4端出现取样后的射频信号，该信号经检波后，由示波器显示，用于监视信号波形。(2)程控射频开关接到2端口，这时连续波信号经定向耦合器II通过程控射频开关馈入二极管高速射频开关，同样在开关脉冲的持续时间内，脉冲调制信号接到3端，并由连续波功率计测出平均功率，示波器同时显示取样后的波形。调节连续波信号的幅度，使其在连续波功率计的指示功率幅值与脉冲调制信号相等。这时读出连续波功率在标准小功率计的指示值，这样被校的脉冲峰值功率也就测出了。平均功率法平均功率法是通过测量射频脉冲功率的平均值、脉冲宽度和重复频率，然后计算