微波信号功率的测量

1、第七章第七章 微波信号功率的测量微波信号功率的测量主要内容：主要内容：n功率测量的基础知识功率测量的基础知识n微波功率计的测量原理微波功率计的测量原理n微波功率测量的误差分析微波功率测量的误差分析7.1 7.1 功率测量概述功率测量概述主要内容：主要内容：n功率的定义和单位功率的定义和单位n功率方程功率方程n微波功率测量的一般电路微波功率测量的一般电路一、功率的基本定义一、功率的基本定义: :1.1.平均功率平均功率：信号在一个周期内能量变化的平：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：均速率。瞬时信号的平均功率由下式给出： TdttpTP0)(1 通常功率定义为在所

2、包含最低频率的多个周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。期上，单位时间所传输能量的平均值。 nTavdttpnTP0)(1Average PowertimeAverage over several modulation cyclesAverage over many pulse repetitions 如果被测信号的电压和电流是连续的正弦波如果被测信号的电压和电流是连续的正弦波（CWCW），那么其平均功率的表达式为：），那么其平均功率的表达式为： P=P=V VI Icoscos式中，式中，P P为平均功率；为平均功率；V V为电压的均方值；为电压的均方值；

3、I I为电流的为电流的均方值；均方值；为电压与电流的相位差。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：为一个纯电阻负载，所以上述公式变为： P=VP=V2 2/R /R 或或 P=IP=I2 2R R1.1.平均功率平均功率： 另外，也可将功率传感器设计成另外，也可将功率传感器设计成“均方值均方值”响应传感器。如果一个被测信号包含有很多响应传感器。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频谱分量，那么该传感器将对所有频谱分量给出如下响应：给出如下响应： P=(VP=(V

4、1 12 2+V+V2 22 2+ +V+Vn n2 2)/R)/R 该式表明响应的总功率是多个正弦信号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。的调制边带、谐波或其他一些频率分量。1.1.平均功率平均功率：2.2.脉冲功率脉冲功率 在脉冲持续时间内取平均功率，其表达式：在脉冲持续时间内取平均功率，其表达式：3.3.峰值功率：峰值功率： 指在载频周期内，占有脉冲功率包络线最大值指在载频周期内，占有脉冲功率包络线最大值处的微波功率的平均值。处的微波功率的平均值。 峰值功率峰值功率P PPPPP

5、可直接测量，或根据平均功率可直接测量，或根据平均功率PavPav、占空系数占空系数Q Q和脉冲波形系数和脉冲波形系数K K用下式计算确定：用下式计算确定：n P Ppppp= =PavT/PavT/01( )PPp t dt2/PPPPVRTypes of Power MeasurementslAverage Power lPulse PowerlPeak Envelope Power CW RF signalPulsed RF signalGaussian pulse signaln一个更为方便的单位是一个更为方便的单位是dBmdBm 它是相对于它是相对于1mW1mW，以，以dBdB为单位的

6、功率级。因此为单位的功率级。因此0dBm0dBm是是1mW1mW。n例如例如+36dBm+36dBm是多少？让我们由是多少？让我们由0dBm0dBm开始，我开始，我们已经知道它是们已经知道它是1mW1mW。+30dBm+30dBm将是将是1 1 mWmW* *10 10 * *1010* *1010，即，即1W1W。+6dBm+6dBm是是1 W1 W* *2 2* *2 2，因此最后，因此最后结果是结果是4W4W。n-23dBm-23dBm是多少？使用同样方法从是多少？使用同样方法从1mW1mW开始，开始， -20dBm-20dBm是是10W10W。-3dBm -3dBm 将减半，因此最后结

7、将减半，因此最后结果是果是5W5W二、功率的单位：瓦二、功率的单位：瓦n我们通常在我们通常在SISI单位制中规定功率单位为单位制中规定功率单位为W W。这是一种。这是一种绝对测量。有时以比率说明功率更为方便。特别是绝对测量。有时以比率说明功率更为方便。特别是涉及比较涉及比较2 2个功率级的增益或损耗时。这是用分贝个功率级的增益或损耗时。这是用分贝（dBdB）表示的相对功率概念。）表示的相对功率概念。n用分贝单位表示增益或损耗有二个优点用分贝单位表示增益或损耗有二个优点 它是容它是容易表示大数（或小数）的计数法。此外，几级级联易表示大数（或小数）的计数法。此外，几级级联网的总效应可以用相加网的总

8、效应可以用相加dBdB单位的简单方法代替线性单位的简单方法代替线性值相乘。值相乘。二、功率的单位：瓦二、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；另一种技术用于确定从信号源到负载的传送功率；另一种是接受功率测量即功率计或测量技术用于接收并测是接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。量被测信号功率。三、微波功率测量

9、的一般电路三、微波功率测量的一般电路接收变换器测量装置读数装置P接收变换器测量装置读数装置P至负载终端式终端式(吸收式）功率计的结构图吸收式）功率计的结构图通过式功率计的结构图通过式功率计的结构图 四四. .功率方程功率方程 功率方程是功率测量线路中正确分析待测功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值的基础。如图表示了信号源和负载之间的功率传输关系。率传输关系。信号源负载gLbacgcggZZZZbg b bg g代表信号源能向无反射负载提供的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信号波幅；入射到负载的入射波 a a为：为：Lg

10、gba1入射波功率入射波功率P Pinin为：为：222211LgoLgginPbaP同理，负载反射的功率同理，负载反射的功率P Pr r为：为：222LrabP因此，信号源传输到任意负载上的净功率为：因此，信号源传输到任意负载上的净功率为：2211LgLoriLPPPP 当当 L L= =g g* *时（共轭匹配），此时信号源时（共轭匹配），此时信号源传输到负载上的功率最大，传输到负载上的功率最大，22*2111gogggoAPPPP PA A称为资用功率，它表明信号源可能输出的最大称为资用功率，它表明信号源可能输出的最大功率。功率。222111LgLgALPP上式即为功率关系式。上式即为功

11、率关系式。7.2 微波功率计测量原理微波功率计测量原理7.2.1 7.2.1 测辐射热式功率计测辐射热式功率计 利用某些温度敏感元件的电阻随所加的高频利用某些温度敏感元件的电阻随所加的高频功率或电压、电流的大小而变化的效应，可构成功率或电压、电流的大小而变化的效应，可构成功率计。功率计。 基本原理：基本原理：测辐射热式功率计主要由指示器测辐射热式功率计主要由指示器( (一般为电桥一般为电桥) )和测辐射热器传感器组成。测辐射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，随之它的电阻也吸收功率以后，温

12、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。的变化，从而可确定它所吸收的功率。 7.2.1 7.2.1 测辐射热式功率计测辐射热式功率计)(41222121IIRPPPbrfEPrfV一一. . 测热电阻元件测热电阻元件1.1.镇流电阻镇流电阻2. 2. 热敏电阻热敏电阻3.3.薄膜电阻薄膜电阻3电桥法测量微波小功率原理电桥法测量微波小功率原理1.平衡式电桥平衡式电桥平衡式电桥的基本电路如图所示：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）功率对测热假设高频功率与直流（或低频）功

13、率对测热电阻有同样发热效果，则被测功率电阻有同样发热效果，则被测功率P Pinin应等于先后应等于先后两次平衡时两次平衡时R Rb b所吸收的直流功率之差，即所吸收的直流功率之差，即22212122bbinRIRIP因为两次平衡时因为两次平衡时R Rb b均等于均等于R R，于是，于是RVVIIRPin44222122212. 自平衡电桥自平衡电桥3. 3. 直流温度补偿双自平衡电桥原理直流温度补偿双自平衡电桥原理7.2.2 7.2.2 热电偶式功率计热电偶式功率计n两个优点：两个优点：1 1）高灵敏度；）高灵敏度；2 2）平方律的特性）平方律的特性lThe principles behind

14、 the thermocoupleVhHot junctionMetal 1Metal 2-+V1-+V2-+12hV = V + V - V0V0 席贝克效应（或热电效应）：当两种不同金属席贝克效应（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。与冷热端的温差成正比。铋一锑薄膜式热偶铋一锑薄膜式热偶 热电偶热电偶7.2.3 7.2.3 微波晶体二极管式功率计微波晶体二极管式功率计晶体管检波的原理晶体管检波的原理一般

15、金属一般金属半导体结二极管的伏安特性为半导体结二极管的伏安特性为11vskTqvseIeIi其中其中I Is s为反响饱和电流；为反响饱和电流；q q为电子电荷；为电子电荷；k k为波尔兹为波尔兹曼常数；曼常数；T T为热力学温度。为热力学温度。VsCbRmatchingRsVo+-wattsSquare Law Region of Diode Sensor0.01 mW-70 dBmVO(log)Linear Region0.1 nW-20 dBmVoPINPIN改进的功率传感器改进的功率传感器更宽的动态范围更宽的动态范围7.2.47.2.4量热计法测量微波小功率量热计法测量微波小功率 借测

16、量微波功率在负载中消耗时所产生的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、最古老热量来测量微波功率，是一种最基本、最古老的方法。的方法。工作方式：静止式工作方式：静止式 媒质是固体，液体或气体媒质是固体，液体或气体 流动式流动式 媒质是水或油媒质是水或油功率传感元件：干负载功率传感元件：干负载 小、中、大功率测量小、中、大功率测量 流体负载流体负载 中、大功率测量中、大功率测量由热力学原理，该系统的热平衡方程为由热力学原理，该系统的热平衡方程为：C11PGC2,2122221110GdtdCGdtdCP设设C C1 1CC2 2，则两者之间的温差，则两者之间的温差为

17、：为：/2111tsteeGP式中式中=C=C1 1/G/G，热时间常数；，热时间常数；s s=P/G=P/G，稳态温差。，稳态温差。可见，可见，=s s（tt）PP。7.37.3微波大、中功率测量微波大、中功率测量1.1. 扩展小功率计量程法扩展小功率计量程法（1 1）衰减器法）衰减器法信号源衰减器功率座指示器PAPLPsALgs 假定系统处于匹配状态，即假定系统处于匹配状态，即s s=L L= =g g=0=0，A A准确准确已知，则已知，则1010lg10)(AsLsLPPPPdBA（2 2）定向耦合器法）定向耦合器法 10/10ACcoutPP2.2.流体量热计法流体量热计法)(WTc

18、dvP 一、一、测量射频脉冲重复周期内的平均功率法测量射频脉冲重复周期内的平均功率法 设脉冲为矩形，宽度为设脉冲为矩形，宽度为，重复周期为，重复周期为T T（=1/f=1/f）。用连续波功率计测出脉冲的平均功）。用连续波功率计测出脉冲的平均功率率P Pavav，有，有Pav=Ppp/TPpp=PavT/=PavQ式中，式中，Q=T/=1/(f)Q=T/=1/(f)；Q Q-1-1是射频脉冲的占空系数。是射频脉冲的占空系数。当脉冲为非理想矩形时，当脉冲为非理想矩形时， Ppp=KQPav7.4 7.4 微波脉冲功率测量微波脉冲功率测量 Ppp=PavQ10 C/10二二. . 峰值检波法峰值检波法7.4 7.4 微波功率测量的失配误差分析微波功率测量的失配误差分析Sources of Power Measurement UncertaintylSensor and source mismatch errorslPower sensor errorslPower meter