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1、第七章微波信号功率的测量 主要内容 功率测量的基础知识微波功率计的测量原理微波功率测量的误差分析 7 1功率测量概述 主要内容 功率的定义和单位功率方程微波功率测量的一般电路 1 平均功率 信号在一个周期内能量变化的平均速率 瞬时信号的平均功率由下式给出 通常功率定义为在所包含最低频率的多个周期上 单位时间所传输能量的平均值 AveragePower time Averageoverseveralmodulationcycles Averageovermanypulserepetitions 如果被测信号的电压和电流是连续的正弦波 CW 那么其平均功率的表达式为 P V I cos 式中 P为
2、平均功率 V为电压的均方值 I为电流的均方值 为电压与电流的相位差 在实际测量中 用于接受功率的功率传感器表现为一个纯电阻负载 所以上述公式变为 P V2 R或P I2 R 1 平均功率 另外 也可将功率传感器设计成 均方值 响应传感器 如果一个被测信号包含有很多频谱分量 那么该传感器将对所有频谱分量给出如下响应 P V12 V22 Vn2 R该式表明响应的总功率是多个正弦信号功率分量之和 这些谱分量可能是某种信号的调制边带 谐波或其他一些频率分量 1 平均功率 2 脉冲功率在脉冲持续时间内取平均功率 其表达式 3 峰值功率 指在载频周期内 占有脉冲功率包络线最大值处的微波功率的平均值 峰值功
3、率PPP可直接测量 或根据平均功率Pav 占空系数Q和脉冲波形系数K用下式计算确定 Ppp PavT TypesofPowerMeasurements AveragePowerPulsePowerPeakEnvelopePower CWRFsignal PulsedRFsignal Gaussianpulsesignal 一个更为方便的单位是dBm 它是相对于1mW 以dB为单位的功率级 因此0dBm是1mW 例如 36dBm是多少 让我们由0dBm开始 我们已经知道它是1mW 30dBm将是1mW 10 10 10 即1W 6dBm是1W 2 2 因此最后结果是4W 23dBm是多少 使用同
4、样方法从1mW开始 20dBm是10 W 3dBm将减半 因此最后结果是5 W 二 功率的单位 瓦 我们通常在SI单位制中规定功率单位为W 这是一种绝对测量 有时以比率说明功率更为方便 特别是涉及比较2个功率级的增益或损耗时 这是用分贝 dB 表示的相对功率概念 用分贝单位表示增益或损耗有二个优点 它是容易表示大数 或小数 的计数法 此外 几级级联网的总效应可以用相加dB单位的简单方法代替线性值相乘 二 功率的单位 瓦 在功率测量中 功率常常被定义为一种在系统或系统元件之间传递的能量之比 两种主要的功率测量类型 一种是传送功率测量 即功率计或测量技术用于确定从信号源到负载的传送功率 另一种是接
5、受功率测量即功率计或测量技术用于接收并测量被测信号功率 三 微波功率测量的一般电路 终端式 吸收式 功率计的结构图 通过式功率计的结构图 四 功率方程功率方程是功率测量线路中正确分析待测功率值的基础 如图表示了信号源和负载之间的功率传输关系 bg代表信号源能向无反射负载提供的信号波幅 入射到负载的入射波a为 入射波功率Pin为 同理 负载反射的功率Pr为 因此 信号源传输到任意负载上的净功率为 当 L g 时 共轭匹配 此时信号源传输到负载上的功率最大 PA称为资用功率 它表明信号源可能输出的最大功率 上式即为功率关系式 7 2微波功率计测量原理7 2 1测辐射热式功率计利用某些温度敏感元件的
6、电阻随所加的高频功率或电压 电流的大小而变化的效应 可构成功率计 基本原理 测辐射热式功率计主要由指示器 一般为电桥 和测辐射热器传感器组成 测辐射热器传感器是对温度极其敏感的电阻器件 当它吸收功率以后 温度便会升高 随之它的电阻也发生相应变化 使用电桥电路 可以检测出电阻的变化 从而可确定它所吸收的功率 7 2 1测辐射热式功率计 E Prf V 一 测热电阻元件1 镇流电阻 2 热敏电阻 3 薄膜电阻 电桥法测量微波小功率原理平衡式电桥平衡式电桥的基本电路如图所示 假设高频功率与直流 或低频 功率对测热电阻有同样发热效果 则被测功率Pin应等于先后两次平衡时Rb所吸收的直流功率之差 即 因
7、为两次平衡时Rb均等于R 于是 2 自平衡电桥 3 直流温度补偿双自平衡电桥原理 7 2 2热电偶式功率计 两个优点 1 高灵敏度 2 平方律的特性 Theprinciplesbehindthethermocouple V0 席贝克效应 或热电效应 当两种不同金属的节点的温度被加热到高于其余两个自由端的温度时 在两个自由端之间便会出现直流电势 其大小与冷热端的温差成正比 铋一锑薄膜式热偶 热电偶 7 2 3微波晶体二极管式功率计晶体管检波的原理一般金属 半导体结二极管的伏安特性为 其中Is为反响饱和电流 q为电子电荷 k为波尔兹曼常数 T为热力学温度 watts 改进的功率传感器 更宽的动态范
8、围 7 2 4量热计法测量微波小功率借测量微波功率在负载中消耗时所产生的热量来测量微波功率 是一种最基本 最古老的方法 工作方式 静止式媒质是固体 液体或气体流动式媒质是水或油功率传感元件 干负载小 中 大功率测量流体负载中 大功率测量 由热力学原理 该系统的热平衡方程为 设C1 C2 则两者之间的温差 为 式中 C1 G 热时间常数 s P G 稳态温差 可见 s t P 7 3微波大 中功率测量扩展小功率计量程法 1 衰减器法 假定系统处于匹配状态 即 s L g 0 A准确已知 则 2 定向耦合器法 2 流体量热计法 一 测量射频脉冲重复周期内的平均功率法设脉冲为矩形 宽度为 重复周期为
9、T 1 f 用连续波功率计测出脉冲的平均功率Pav 有Pav Ppp TPpp PavT PavQ式中 Q T 1 f Q 1是射频脉冲的占空系数 当脉冲为非理想矩形时 Ppp KQPav 7 4微波脉冲功率测量 Ppp PavQ 10C 10 二 峰值检波法 7 4微波功率测量的失配误差分析 SourcesofPowerMeasurementUncertainty SensorandsourcemismatcherrorsPowersensorerrorsPowermetererrors 功率计的操作 1 由于一种功率计主机要配多种功率探头 因此在开机后要选择探头型号 但有的功率计不需要 其主机可自动识别 2 为了消除功率计的漂移 功率计都要进行调零操作 老式的功率计调零需要手动 确保探头没有输入的情况下 把量程打在最低档 调节调零电位器 而现代功率计的这一过程完全由软件来控制完成 用户只需按自动零键 3 利用50MHz参考源进行绝对功率的校准 将功率探头接校准源的输出 按校准键 功率计会自动完成校准过程 4 设置频率值 不同的功率探头在不同的频率点上校准因子都各不相同 因此 在测量信号功率前 还要置入信号的频率或在此频率上的校准因子 5 最后进行功率测量
