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浅析：射频功率计原理、分类、指标及应用

一、功率计概述

在直流和低频时，功率测量可以通过电流和电压的测量来完成。但是当信号的频率高于几十兆赫甚至上百吉赫时，工作波长已经与测量装置的尺寸相近，电流和电压随传输线的位置而变化，因此电流和电压不再适用测量。微波功率是描述信号大小和信号通过电子系统或传输线时能量传输特性的量，它是电子计量中最重要的参量之一，是微波信号传输中更通用的测量参数。

测量微波功率最常用的是“测热”的方法，即把微波功率转换成热能，然后用测热的方法进行测量。常用的测热式功率测量仪器有量热式功率计、热敏式功率计、热电偶式功率计。此外，还有用其他物理效应进行功率测量的功率计，例如二极管检波功率计。

二、功率测量概念

微波功率的几个不同表达式

功率的单位是瓦特，用符号w表示，1W=1J/s,它是国际单位制(SI)基本单位导出的。为了使用方便，还有其他的表示形式:千瓦(1kW=10³w)、亳瓦(1mW=10^-3w)、微瓦(1μW=10^-6W)，等等。

上面功率的定义都是线性表达形式，还有对数表示，最常见的对数形式就是分贝毫瓦(dBm),表达式如下: PdBm=10lg(P/1mW)
    其中，P的单位为mW。在很多情况下，例如为了测量增益或衰减，需要得到两个功率的比值，而不是绝对功率。相对功率是一个功率值P和其他参考功率值P_rer的比值，相对功率通常表示为对数的形式: PdBm=10lg(P/P_rer)  

使用对数表示相对功率有两个优点:

（1）相对功率较大时使用对数表示比较方便，dB是一个比较“大”的量，例如相对功率-150~60dB，如果用线性表示10^-15-10^16，线性比值非常大，表示及不方便；

（2）对数表示在级联系统中计计算增益比较方便，它用加减替代了线性计算过程中的乘减关系。

三、功率计种类

（1）热敏式功率计

测辐射热器的基本原理：对于高频和微波小功率的测量，测辐射热器法是一种最常用的方法。测辐射热器是一种对温度极其敏感的电阻。当它吸收功率时，其电阻值将发生明显的变化。使用电桥电路，可以检测出电阻的变化，从而确定它所吸收的功率。

（2）热电偶式功率计

热电偶的基本原理：热电偶是由两种不同材料的金属组成的。若它的两个节点处于不同的温度，便有热电势产生，且热电势与两个节点之间的温度差成正比。对于不同的材料组合，其热电势也不尽相同。

当两个不同材料的金属节点之间由于热效应发生自由电子移动时，两种不同的金属产生自由电子密度不同，产生的汤姆森电动势也不同，这种现象叫作珀耳帖效应。

（3）二极管式功率计

二极管功率计的基本原理：二极管通过整流特性将AC信号转化为DC信号。普通的硅P-N结二极管就可以作为高频信号检波器，但是充放电效应限制了P-N结的带宽。肖特基二极管在节点处没有充放电效应，在校信号时呈现高阻特性。

三、功率计主要指标

微波功率计的主要技术指标功率计的主要技术指标包括:频率范围、功率测量范围、参考校准源功率准确度、功率传感器线性度、功率传感器阻抗特性。

（1）频率范围

频率范围指的是能满足功率计各项技术指标要求，保证功率计可靠工作的输入信号的频率范围。无论是热敏功率计、热偶功率计或二极管功率计，功率测量功能主要依靠功率传感器热效应或二极管检波完成，功率计部分的主要作用是放大、测量功率传感器检测后的输出信号，因此该指标主要取决于功率传感器。例如某型号功率传感器，厂家给定的频率范围是10MHz~ 18GHz,表示该功率传感器只能测量频率范围在10MHz~ 18GHz内的微波信号的功率，如果被测信号的频率超出该频率范围，那么功率计测量结果的准确性无法得到保证，测量结果无效。

（2）功率测量范围

功率测量范围是功率计所能准确测量的最小功率到最大功率的范围。其下限主要取决于功率传感器的灵敏度，上限是功率传感器的损坏电平功率。如果被测信号的功率小于或接近传感器测量的下限，那么功率传感器本身的噪声电平会对测量结果产生很大的影响;如果被测信号的功率大于传感器测量的上限，那么测量结果会产生非线性失真，更严重的情况可能会损坏功率传感器。

（3）参考校准源

参考校准源是功率计内部输出lmW的高精度功率源。功率计每次进行功率测量之前，需要对功率传感器进行清零和自校操作，自校的过程是将功率传感器连接到功率计的参考校准源，然后功率计内部进行调整和补偿，使得功率传感器测量结果为ImW。因此参考校准源的准确度比功率传感器要高，通常需要使用量热式功率计校准参考校准源的准确度。

（4）功率测量线性度

在热偶功率传感器中，热电偶元件既是吸收高频功率的负载，又是热电转换元件。由于热电偶的非线性，使功率灵敏度随着功率电平的变化而发生变化。在某功率电平下 校准的功率灵敏度具有一个特定的值。这样在不同的功率电平上测量时，将引入一项非线性误差。对铋一锑薄膜型热电偶座，当功率变化10dB时，功率灵敏度将变化5%左右，这就给热电偶的校准和使用带来了非线性误差。为了减小或消除非线性误差，需要增加相应于功率电平的修正系数。

在二极管功率传感器中，其功率测量区分为:平方律区、过渡区和线性区3部分。每个区域输出电压和输入电压的转换关系不同，当二极管的检波特性开始偏离平方律时，输出电压与输入电压不再成正比，会产生线性误差。

（5）功率传感器的阻抗特性

功率传感器的阻抗特性可用反射系数、回波损耗或电压驻波比(VSWR)来表征。反射系数、回波损耗和电压驻波比。

传感器的设计和制造过程中，总是尽可能减少电压驻波比的影响，最大限度的减少功率传感器反射造成的功率测量的不确定度。

四、校准信号发生器输出功率典型应用

信号发生器的实际输出功率总会随着时间、频率有微小的变化，要使到达被测设备的功率尽可能的精确，就需要实时对输出功率进行监控和调节，传统的功率传感器无法单独完成这样的任务，必须外接功分器实现。

这种方法可以在调节信号源输出功率的同时，监控到达被测设备的输入功率，但是由于外接功分器的驻波特性的不理想，对信号源输出信号的不确定度有影响。为了解决该问题，R&S公司专门推出了NRP-Z28 (频率范围10MHz~ 18GHz)、NRP-Z98 (频率范围9kHz 6GHz)系列电平控制传感器，包括了一个低反射系数的功分器和一个多通道的二极管功率传感器，探头结构及其工作原理如图下图所示。

射频输入信号经过功分器，一路输出到射频输出，另一路到内置的功率探头内，实现精确的功率测量，然后测试数据通过USB接口输出。R&S NRP-Z28/Z98系列探头把功分器和功率探头很好地结合在一起，减少了外部功分器的连接不便与不确定性因素。同时，由于NRP系列探头的测量与数据处理一体化优势，可以直接将探头USB输出连接到SMU200A/SMJ/SMATE/SMA/SMB/SMF等R&S公司的数字、射频、微波信号源上，如图6-26所示。可直接在信号源界面上完成电平的精确测量和调整，确保到达被测单元的功率值的精确性。

如果在NRP-Z28/Z98功率传感器与被测设备之间还存在转接头、衰减器或其他连接电缆等二端口网络，还可以用去嵌入方式实现S参数修正，其修正原理如图6-27所示，该二端口网络的4个S参数可以用矢量网络分析仪测量得到一一个S2P文件来描述，再通过USB接口把S2P文件下载到探头中，完成测试结果的S参数修正。

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