功率测量的方式.docx

热电偶法热电偶是由两种小同的金属材料组成的若是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，该温差热电势即可 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份组成：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，用来检测热电动势初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 用意如图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, bl, b3别离置于同轴线的内、外导体上，它的温度维持不变 当微波功率未输入时，热电堆节点之间没有温差，因此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al，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，即贝克塞效应由于那个地址的热 电堆是串联的，因此，总电势等于每对的和由于热电偶元件能够制成极薄的片状，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，就能够够使直流放大器的增益随之转变， 从而使指示器取得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 突出优势，适用于多种场合下的功率测量它的缺点是过载能力差另外，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年显现了半导体薄膜 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良它是在一个平方大小的硅片上集成了两个热电 偶每一个热电偶的电阻为100Q，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〜18GHz频率范围内小于。

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置能力，从而能够采取某些方 法排除和修正误差，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 由于它对温度超级灵敏，因此被普遍的用于微瓦和毫瓦级的功率测量中热敏电阻多数为珠 形，其直径约为〜，但也有杆形的初期利用的热敏电阻元件大多用玻璃壳封装但是，由 于玻璃介质的存在，增加了元件的微波损耗最近几年来利用的热敏电阻元件为无外壳结构， 因此减少了微波损耗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利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，两个外电极通过隔直电容器与同轴线的外导体连接，每一 个热敏电阻的工作阻值为100Q如此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50Q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〜频率范围；8mm波导热敏电阻座能工作在〜40GHz频率范围随着微波宽带测量技术的进展，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，慢慢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，因此已被普遍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 阻座除同轴传输线结尾的腔体内有一对热敏电阻外，在腔体外部，还有一对热敏电阻（副热 敏电阻对），以补偿环境温度转变对检测热敏电阻的阻碍，如此在功率测量进程中能够减少 环境温度转变的阻碍2）功率指示器 用热敏电阻测量功率时，最经常使用的是惠斯通电桥电路作为测量和指示装置，如下图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转变 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式分，有如下几种电桥：不平稳电桥、平稳电桥（需要两次读数来计算被测功 率值）、自动平稳电桥、自动平稳双电桥等后者已成为功率测量电桥的要紧型式随着微波功率测量技术的进展，初期利用的电桥，如手动平稳电桥等，由于它们的测量 准确度低、性能不稳固、利用不方便等缺点，已被淘汰。

此刻普遍利用的是温度补偿式双热 敏电阻自动平稳电桥这种新型电桥大大降低环境温度转变所带来的阻碍，而且又能直接读 数因此它己成为目前要紧利用的功率测量的指示器这种电桥测量功率的量程为luW〜 10mW，测量误差限为％〜％它与热敏电阻配合利用，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，依 照功率和热电势间的关系来确信被测功率量热体有干负载、流体（水、油等）负载之分实 际测量中常采纳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，量程可别离做成大、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要紧优势是准确 度高、靠得住性好、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，而且测试时刻长囚它能取得很高的测量准确度，世界各国都采纳它作 为国家功率标准采纳自动反馈电路可大大缩短测试时问，改善测量的周密度量热式功率 计可分为替代静止式和替代流动式量热计，其要紧技术指标为：频率范围，同轴系统一样到 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），流动式量热计经常使用来测量大功率，例如水负载量热计，量程可达2 000W ；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经常使用的信号检波器，常经常使用作功率 电平的指示器初期利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、 稳固性不行等缺点，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显现的低 势垒肖特基二极管，采纳面接触式，机械强度和稳固性取得专门大的提高，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50Q 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，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10uW当被测功率大于uW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种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信测热电阻座的有 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式的优势是准确度 高，速度快和利用方便。

许多国家都用它成立小功率国家标准，准确度达±%〜±%平均功率的测量方式在直流或低频段可利用直接按瓦特(W)刻度的瓦特表面在高频和微波段常采纳间接 测量，将功率转化为其他物理量进行测量功率往往采纳功率计进行测量功率计一样是由 功率座和功率指示器组成功率的测量方式依照原理能够分为：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，用射频持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持续波功率测量原理如图 2-17 所示测 量方式如下开关接通 B 路，被测射频脉冲信号通过定向耦合器和检波器后，由 A/D 变换器采样， 运算机处置并显示出被测脉冲信号的幅度值开关接通 A 路，调剂射频持续波信号源的输出，使其在运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 接持续波信号源，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' 然后依照式(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。

本方式的测量不确信度是由标准功率计、指示功率计、定向耦合器和连接不重复性等 引入的标准不确信度分量组成用射频替代法测量脉冲功率的测量不确信度约为5％左右 射频替代法适用于各类矩形、非矩形脉冲调制的峰值功率测量由于脉冲功率与持续波功率 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 数量级持续波比较法若是晶体检波器对持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，能够用比较的方式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，被测脉冲信号通过定向耦合器I、射频开关和峰值检波器后，送到示 波器，在示波器上能够取得脉冲调制的包络及脉冲信号的顶部幅度开关接通A路，持续波信号通过定向耦合器II、射频开关和峰值检波器后，存示波器 上能够取得持续波信号幅度调剂可调衰减器的衰减量使持续波信号的幅度与脉冲信号的幅 度相同，只是在持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能够用下式计算：(2-9)式中，C1，C2为定向耦合器I、II的耦合度，单位为dB用持续波比较法测量脉冲峰值功率的测量不确信度是由小功率计、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信度分量所组成。

采纳持续比较法能够测量各类矩形调制的脉冲峰值功率，乃至是不同的，与空比和重复 频率的脉冲峰值功率；另外，该方式操作较简单，测量时刻短取样比较法取样比较法测量脉冲峰值功率的大体原理是：将脉冲调制的微波信号与个辅助的幅度 可调的持续波信号，通太高速射频开关别离取样和检波，通过幅度比较完成的持续波功率 能够用标准小功率计精准测出，两个通路的途径衰减能够用持续波定标，那么脉冲峰值功率 就确信了图2．15 所示为取样比较法的原理框图取样比较法的测量进程如下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通进程控射频开关馈入 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操纵而开启在开关脉冲的 持续时刻内，脉冲调制信号接到3 端，并由持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刻，在4 端显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，这时持续波信号经定向耦合器II通。