第四章 功率测量

1、1 第四章 微波功率测量 微波功率测量 第一节 基本概念 第二节 小功率测量 第三节 中功率测量 第四节 大功率测量 第五节 峰值功率测量 周期矩形脉冲测量(平均占空比法) 直接脉冲法 直接读数法 2 3 l信号电平太低 信号淹没于噪声 合适信号电平的重要性合适信号电平的重要性 l信号电平太高 产生非线性失真 Nonlinear distortion 甚至损毁器件 RL 0.0 dBm ATTEN 10 dB 10 dB / DIV START 150 MHz STOP 1.150 GHz RB 3.00 MHz VB 300 kHz ST 13.89 msec 为何不测量电压为何不测量电压

2、lDC lLow Frequency lHigh Frequency VInc VRef ZS ZO RL V RL V RL - + ZS ZS I I 电压测量简单直观，如果需 要功率，计算也非常简单。 P=VI 频率接近1GHz时，因为此时直接测电 压和电流是不切实际的。其中一个很重 要的原因是电压和电流沿无耗传输线不 同位置变化，而功率时恒定的；如果时 波导传输线，电压和电流难以定义；因 此，对射频微波而言，功率易于测量也 易于理解，比电压和电流应用更广泛 功率定义: P = (I)(V) I R V + - Amplitude t P I V DC component of powe

3、rAC component of power 对交流信号而言，功率 时时间函数。电流和电 压乘积时正弦曲线，频 率时交流信号的2倍， 相对于直流而言一般用 平均功率表示。功率曲 线覆盖的面积除以发生 这段功率的时间长度 （通常采用周期时间内 的功率）。 电路理论中对任意负载， 功率为电压和电流的乘 积，P = (I)(V)。功率因 子P（定义为电压和电流 的正弦函数乘积） 对于纯电阻负载，功率P 为某一瞬时电压和电流 的乘积。 第一节 基本概念 微波功率是除频率外,表征一个微波信号的重要参数. 微波功率测量中常用的单位 瓦(W), dB, dBm 6 l功率单位为瓦特 watt (W): 1W

4、 = 1 joule/sec l源于瓦特的电参数: 1 volt = 1 watt/ampere l以dB表示的相对功率: P(dB) = 10 log(P/Pref) l以dBm表示的绝对功率: P(dBm) = 10 log(P/1 mW) 单位及定义单位及定义 a) dB dB是一个表征相对值的值，当考虑甲的功率 相比于乙功率大或小多少个dB时， 按下面计算公式：10lg（甲功率/乙功率）. 也可以表述为与电压和电流的关系: 20lg（甲电压/乙电压）, 20lg（甲电流/乙电流） 7 例1 甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲 功率/乙功率）=10lg2=3dB。 也就是说，甲的功率

5、比乙的功率大3 dB。 例2 如果甲的功率为46dBm，乙的功率为 40dBm，则可以说，甲比乙大6 dB。 例3 2 106 0.5 10-15可表述为 63dB-153dB 8 b) dBm dB表示的是一个相对关系,而dBm是用来表 述绝对功率的大小.其定义为: 10lg（功率值P/1mw） 1mw只是作为一个参考,而只有P可以变化, 所以dBm可以表示为功率的绝对大小. 9 例1 如果发射功率P为1mw，折算为dBm后为 0dBm。 例2 对于40W的功率，按dBm单位进行折算后的 值应为： 10lg（40W/1mw)=10lg（40000） =10lg4+10lg10+10lg100

6、0=46dBm。 10 c) dBc 有时也会看到dBc，它也是一个表示功率 相对值的单位，与dB的计算方法完全一样。 一般来说，dBc 是相对于载波（Carrier）功 率而言，在许多情况下，用来度量与 载波功率的相对值，如用来度量干扰（同频 干扰、互调干扰、交调干扰、带外干扰等） 以及耦合、杂散等的相对量值。 11 在众多功率测量仪表中，功率计是最常用的，其精度达在众多功率测量仪表中，功率计是最常用的，其精度达 1/100dB，其他的如网络分析仪，频谱分析仪，示波器，其他的如网络分析仪，频谱分析仪，示波器 可达可达1/10dB。 功率计采用功率探头将功率转换成电压测试，显示成对功率计采用功

7、率探头将功率转换成电压测试，显示成对 数或线性功率表示方式数或线性功率表示方式. 13 14 结构框图 Substituted DC or low-frequency equivalent Net RF power absorbed by sensor Power Sensor Power Meter Display Diode Detectors Thermocouples Thermistors 功率探头将射频微波功率转换为直流或低频 信号输入到功率计主机，然后在主机中检测 此信号，每一直流信号对应一射频微波功率。 又三种类型的功率探头：热敏电阻，热电偶 及检波二极管 16 平衡电桥 直流

8、替代法 热敏电阻座 eg 偏置电源 E 两种不同金属组成热电偶，节点温度不同产生热电动势 利用二极管平方率特性 R3 R1 R2 Rb R1/R2=R3/Rb PDC+PRF=Constant 测辐射热计 Characteristic curves of a typical thermistor element 测辐射热计，通常是用热敏电阻随温 度变化改变阻值的原理设计的，对于 热敏电阻型的功率探头其实也是属于 测热辐射计这一类。 当射频微波信号消耗在热敏电阻上时 产生温度变化，作为热敏电阻这种半 导体器件，其阻值随温度变化而变。 典型热敏电阻由直径0.4mm的金属氧 化物小珠及0.03mm引

9、线构成。 由图可知，阻值在不同温度下与功率 大小都是非线性变化的。可用电桥替 代。 A self-balancing bridge containing a thermistor RF Power Thermistor mount RR R R T - + Bias 常用的惠斯登电桥是一种平衡电桥，即电桥两 端电压相同，放大器两输入端相等。在功率计 中，若没有射频微波功率加到热敏电阻上，电 桥平衡，若有，则使得热敏电阻温度升高，阻 值减小，此时放大器两端输入不同，放大器作 为反馈回路自动减小直流偏压，等效于是热敏 电阻冷却到原来的温度，增大阻值，维持电桥 平衡。因此，减小的直流功率应等于由于射

10、频 微波功率加到热敏电阻上的功率，可用仪表测 出放大器减小的等效于微波功率作用的值，这 种直接测直流功率替代测射频微波功率的方法 称为直流替代法。而且这种测试不需要外部参 考信号，我们也称为闭环测试。 测辐射热计 这种自平衡电桥结构，由于热敏电阻本身还将受到环境温度 的影响，而且测试前还要先预热，校准，由于环境温度变化， 测试结果还是不可靠，对此，通常采用另一个热敏电阻来检 测环境温度的变化，予以修正。 lPhysics of a thermocouple 热电偶 Bound Ions Diffused Electrons E-field lThe principles behind the

11、thermocouple Vh Hot junction Metal 1 Metal 2 -+ V2 - + 12h V = V + V - V 0 热电偶 21 lThermocouple implementation RF Input Thin-Film Resistor n - Type Silicon hot junction hot cold cold junction Thin-Film Resistor To dc Voltmeter Cc Cb n - Type Silicon gold leads gold leads RF power Thermocouples 热电偶 2

12、2 场效应管斩波器 RF IN 20 dB PAD 热电偶 前置放大 至功率计主机 220Hz方波驱动 自动零 HP8485A热电偶探头简化原理方框图 （2）热电偶探头：热电偶对微波能量的传感作用是吸收微波功率 产 生热，并把热变换为热电压，上图示出了热电偶探头的简化方框图。 热电偶式探头与热敏探头相比有很明显的优势，它们具有更高的灵敏度 （-30dBm），较低的端口驻波（SWR）。典型代表为HP437功率计的大功 率探头。 检波二极管 lHow does a diode detector work? VsCb Rmatching Rs Vo + - Square Law Region of

13、Diode Sensor 0.01 mW -70 dBm VO (log) Linear Region watts 0.1 nW -20 dBm V o P IN PIN Noise Floor 检波二极管 25 新型的检波二极管式功率探头新型的检波二极管式功率探头 随着二极管技术的发展，使得检波二极管形成功率探头配置成为可能。 检波二极管服从于二极管方程 i=Is（eV-1） 展开成幂级数的形式： i=IsV+(V)2/2!+（V)3 /3! + 其平方律区：噪声电平开始(一般可从-70dBm开始)一直延伸到-20dBm左右； 过渡区：-20dBm到0dBm为过渡区； 线性区：0dBm以上对

14、应于线性区。 二极管的温度特性、频响特性、线形特性必须加以修正，其动态范围、灵 敏度、测量速度，都较热敏电阻式、热偶式有较大的提高。 大动态范围电路 Low Power Path High Power Path RF Input 27 功率方程式 PL=P0（1-TL|2）/（1-TgTL|2） P0=PA（1- Tg 2） TL Tg bg a a=bg/（1-TgTL） b=a TL b Pi=a|2= bg 2/（1-TgTL|2） Pr= TL 2 bg 2/（1-TgTL|2） 28 微波功率测量误差分析 阻抗失配引起的测量误差 功率探头的其它不确定度 引起测量误差的其它因素 29

15、功率测量误差功率测量误差 校准因子不校准因子不 确定度确定度 探头线性度、探头线性度、 温度漂移温度漂移 校准源不确定度、校准源不确定度、 失配不确定度失配不确定度 校零不确定度，校零不确定度， 零点漂移零点漂移 噪声、噪声、 1计数模糊计数模糊 探头失配不探头失配不 确定度确定度 30 阻抗失配引起的测量误差阻抗失配引起的测量误差 功率测量示意图 由于信号源或传输线的特性阻抗和功率探头的射频 输入阻抗之间或多或少存在着阻抗失配，于是就存在 了失配误差。 PL = （1-S2）（1-L2） PS (1SL )2 信号源 功率探头 功率计主机 31 功率探头的其它不确定度功率探头的其它不确定度

16、功率探头存在效率的不理想。有两个参数定义探头的设计效率，即 有效效率和校准因子。 有效效率定义如下L= Psub/PL PL 为吸收的净功率，Psub 是对正在测量的射频功率的替代低频等效。 校准因子是将有效效率和失配损耗结合一起的探头修正系数。校准 因子用Kb表示，定义如下： Kb =Psub/PI 在上式中PI是指功率探头输入端口上的入射波功率 引起测量误差的其它因素引起测量误差的其它因素 (1)参考振荡器 (2)功率线性度 (3)功率计主机 零点调节 噪声 漂移 1计数 32 功率线性度功率线性度 功率探头的线性度 功率计主机的线性度 线性误差（%）=（ -1）*100% 功率探头的阻抗

17、特性功率探头的阻抗特性 反射系数、回波损耗 电压驻波比（VSWR）， p= RL= -20log(p) SWR= （1+ p）/（1- p） p为反射系数，RL为回波损耗，SWR为驻波比。 R2 R1 - ZL-Z0 ZL+Z0 P1 - P2 Calculation of Mismatch Uncertainty Signal Source 10 GHz Power SensorPower Meter Mismatch Uncertainty = 2 r r 100% SOURCESENSOR SOURCE SWR = 2.0 SENSOR SWR= 1.22 r = 0.33r = 0.1

18、0 下面我们按小,中,大三个不同功率范围来讨 论功率测量方案. 具体范围: 小功率: 1mw ( 10W ( 40dBm) 34 第二节 小功率测量 35 采用功率计的测试方框图采用功率计的测试方框图 36 一些传感器具有代表性的检测功率范围：一些传感器具有代表性的检测功率范围： -70dBm -20dBm -30dBm +20dBm -17dBm +35dBm -10dBm +35dBm 37 校准 1. 连接系统，在待测件（连接系统，在待测件（DUT）处连接校准电缆）处连接校准电缆; 2. 打开信号源及功率计电源开关，使信号源输出最小打开信号源及功率计电源开关，使信号源输出最小; 3. 如

19、果要采用相对功率读数，调节信号源的输出使功率计如果要采用相对功率读数，调节信号源的输出使功率计 上显示有一个合适的数值，记下这个数值作为参考功率上显示有一个合适的数值，记下这个数值作为参考功率; 4 如果要采用绝对功率读数，调节源的输出使功率计上显如果要采用绝对功率读数，调节源的输出使功率计上显 示为示为0dBm。（如果待测件为有源器件如放大器检查一。（如果待测件为有源器件如放大器检查一 下对该器件的最大输入是多少，因为可能下对该器件的最大输入是多少，因为可能0dBm信号驱信号驱 动时可能在功率计上超范围了。此时可以采用诸如动时可能在功率计上超范围了。此时可以采用诸如- 5dBm或或-10dB

20、m作为参考）。作为参考）。 38 39 采用频谱仪的测试方案采用频谱仪的测试方案 40 频谱仪测试举例 41 第三节 中功率测量 42 在微波功率测量当中,大约95%都属于中功 率部分,前面我们已经定义了中功率的范围: 0dBm to 40dBm. 相比小功率测量,中功率及大功率测量必 须考虑所选元件,及探头的功率处理能力,不 然,后果会很严重. 43 中等功率测试方框图 44 45 对于衰减器的功率处理能力的考虑 衰减器衰减量:10dB 承受功率:0.5W 在上面的测试方案中,衰减器的输入功率 只有20dBm,所以在该方案中,这个衰减器足 以胜任,一般要保持50%以上的余量. 46 下面将对

21、两个1W的测试方案进行分析,一个 是采用输出耦合方式,一个是采用衰减器衰 减的方式. 47 48 49 下面将对两个5W的测试方案进行分析,一个 是采用大功率的功率探头进行测试,一个是 采用定向耦合器方案进行测试. 50 51 52 第四节 大功率测量 53 在选取元件和测试上,几乎没有哪种测试比 大功率测量需要更多的注意和小心,这不但 是在微波领域,在电测试的任何领域都是这 样. 大功率测试需要注意的两个问题 1. 元件的功率处理能力 2. 测试设备的最大输入电平 54 55 56 在对大功率微波进行测量时，还应该注意：在对大功率微波进行测量时，还应该注意： 1.不要去接触同轴电缆或连接器的中心导体，因为能量不要去接触同轴电缆或连接器的中心导体，因为能量 主要集中在这个区域，会对人体造成极大伤害；主要集中在这个区域，会对人体造成极大伤害； 2.连接器和适配器拧紧，避免产生损耗；连接器和适配器拧紧，避免产生损耗； 3.不要去接触衰减器或终端负载的散热器；不要去接触衰减器或终端负载的散热器； 4.不要去接触裸露在外的微带电路；不要去接触裸露在外的微带电路； 5.尽可能采取屏蔽措施，以免造成辐射干扰；尽可能采取屏蔽措施，以免造成辐射干扰； 6.