微波测量课件：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23信号电平太低信号淹没于噪声合适信号电平的重要性信号电平太高产生非线性失真Nonlinear distortion甚至损毁器件RL 0.0 dBmATTEN 10 dB10 dB / DIVSTART 150 MHz STOP 1.150 GHzRB 3.00 MHz VB 300 kHz ST 13.89 msec 为何不测量电压DCLow FrequencyHigh FrequencyVIncVRefZSZO

2、RLVRLVRL-+ZSZSII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)IRV+-AmplitudetPIVDC component of powerAC 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

3、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, dBm6功率单位为瓦特 watt (W): 1W = 1 joule/sec源于瓦特的电参数: 1 volt = 1 watt/ampere以dB表示的相对功率: P(dB) = 10 log(P/Pref)以dBm表示的绝对功率: P(dBm) = 10 lo

4、g(P/1 mW)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-153dB8b) 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

5、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+10lg1000=46dBm。10c) 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

6、） 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1/100dB，其他的如网络分析仪，频谱分析仪，示波器可达1/10dB。功率计采用功率探头将功率转换成电压测试，显示成对数或线性功率表示方式.1314结构框图Substituted DC orlow-frequency equivalentNet RF power absorbed by sensorPower SensorPowerMeterDisplay Diode DetectorsThermocouplesThermistors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

7、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热敏电阻式平衡电桥 直流替代法 热敏电阻座eg偏置电源 E热电偶两种不同金属组成热电偶，节点温度不同产生热电动势检波二极管利用二极管平方率特性R3R1R2RbR1/R2=R3/RbPDC+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

8、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 thermistorRF PowerThermistormountRRRRT-+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

9、，维持电桥平衡。因此，减小的直流功率应等于由于射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。Physics of a thermocouple热电偶Bound IonsDiffused ElectronsE-fieldThe principles behin

10、d the thermocoupleVhHot junctionMetal 1Metal 2-+V2-+12hV = V + V - V0热电偶21Thermocouple implementation RF InputThin-FilmResistorn - TypeSiliconhot junctionhotcoldcold junction Thin-FilmResistorTo dc VoltmeterCcCbn - TypeSilicongold leadsgold leadsRF powerThermocouples热电偶22场效应管斩波器RF IN20 dBPAD热电偶前置放大至

11、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How does a diode detector work?VsCbRmatchingRsVo+-Square Law Region of Diode Sensor0.01 mW-70 dBmVO(log)Linear Regionwatts0

12、.1 nW-20 dBmVoPINPINNoise Floor检波二极管25 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

13、 PathHigh Power Path RF Input终端式测量法27直流或低频信号射频功率功率传感器功率计显示 检波二极管热偶电阻热敏电阻终端式功率计的幅度精度最高，其典型值可达1.6%可测量极小幅度的功率，低至-70dBm（100pW）不能测大功率，上限一般为20dBm（100没W），需外接衰减器或定向耦合器可检测各种调制信号的平均功率、峰值功率、突发功率（Burst）等不能测量VSWR量热式测量法28水冷负载流量计冷却剂入冷却剂出温度计量温度计读书差冷却剂流速GPM（加仑/分）冷却剂入口温度为30，出口温度为49；冷却剂为50%的乙二醇二乙酸和50%的水；流速为10GPM；流速误差为

14、0,3%；温度计误差为0.1。误差约为5%通过式测量法29通过式功率计是一种信号激励装置，采用了一个无源的二极管射频传感器。在同轴线的一侧装有一个定向的，半波二极管检测波电路并将其接到一个已校正的表头以读出有效值功率。检波电路与传输线通过介质耦合，并根据置于传输线旁的传感器的方向取样出正向和反射功率。通过式功率计特点频率范围教宽（传输线能通过即可）动态范围较大（可调节耦合度大小）定向耦合器为窄带，小功率时定向耦合器等效为衰减器，不能测太大的动态范围体积不能太小能测驻波？30定向耦合器31耦合度： C=10lg（P1/P3）（dB）插入损耗：LI=10lg（P1/P2）隔离度： I=10lg（P

15、1/P4)（dB）方向性：D=10lg(P3/P4)(dB) I=C+D源负载放大器终端式功率计终端式功率计正向功率Pi反向功率Pr泄露功率Pb1234定向耦合器放大器输出为50dBm（100W），负载VSWR为1.5（反射功率为36dBm，即4W）定向耦合器耦合度为30dB，从1端口耦合到3端口的正向功率为：Pi=50dBm-30dBm=20dBm=100mW从2端口耦合到4端口的反射功率为：Pr=36dBm-30dBm=6dBm=4mW若定向耦合器的方向性为无穷大，1端口功率不会泄漏到4端口，接在4端口的功率计指示4dBm，方向性误差为零，实际上此种情况不存在。若定向耦合器方向性为25dB

16、，则1端口和4端口之间的隔离度为：I=30dB+25dB=55dB从1端口泄漏到4端口的泄漏功率为：Pb=50dBm-55dBm=-5dBm=0.316mw若定向耦合器方向性为405dB，则1端口和4端口之间的隔离度为：I=30dB+40dB=70dB从1端口泄漏到4端口的泄漏功率为：Pb=50dBm-70dBm=-20dBm=0.01mw可见，方向性越高，测量精度越高。32微波功率方程式功率方程式 PL=P0（1-TL|2）/（1-TgTL|2） P0=PA（1- Tg 2） TLTgbgaa=bg/（1-TgTL）b=a TLbPi=a|2= bg 2/（1-TgTL|2） Pr= TL

17、2 bg 2/（1-TgTL|2） 33 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34功率测量误差校准因子不确定度探头线性度、温度漂移校准源不确定度、失配不确定度校零不确定度，零点漂移噪声、 1计数模糊探头失配不确定度35 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36 阻抗失配引起的测量误差信号源功率计设源的驻波VSWRG=1.75（G=0.27），功率计驻波V

18、SWRL=1.10（ L=0.05），则失配不确定度为：MU(%)=2X0.27X0.05X100%=2.7%37 功率探头的其它不确定度 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/PLPL 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 (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38 功

19、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-Z0ZL+Z0P1 - P2Calculation of Mismatch UncertaintySignal Source10 GHzPower SensorPower MeterMismatch Uncertainty = 2 r r 100%SOURCESENSORSOURCESWR = 2.0SENSOR

20、SWR= 1.22r = 0.33r = 0.10总的不确定度失配不确定度：2.7%校准因子不确定度：1.75%仪表不确定度：1.5%参考功率源不确定度：1.2%总的不确定度=（2.7%+1.75%+1.5%+1.2%）=7.15%40实际情况下，总的误差不会出现在最差情况下，一般可采用均方根（RSS）法来表达系统的平均误差RSS=4.47%RSS（dB）=10lg（1RSS）转换为分贝后：+0.19dB/-0.20dB频谱分析仪法41低通滤波器逻辑放大器输入衰减器混频器中频滤波器检波器视频滤波器本振锯齿波发生器中频放大器输入信号显示频谱分析仪的幅度不确定度影响不确定度的因素不确定度计算举例条

21、件频率响应0.38dB0.38dB3Hz3GHz，10dB输入衰减频率响应0.69dB-3Hz3GHz，2040dB输入衰减频率响应（预防开启时）0.70dB-100kHz3GHz输入衰减器开关不确定度0.30dB0.30dB3Hz3GHz幅度测量精度0.24dB0.24dB3Hz3GHz，10dB输入衰减，分辨率带宽为10Hz至1MHz之间，输入信号为-10dBm-50dBm分辨率带宽开关不确定度0.03dB0.03dB1HzMHz RBW参考电平精度0dB显示刻度0.07dB0.07dB混频器输入小于-20dBm42频率响应是影响精度的主要因数，其他如失配误差等。总的不确定度为：换算成百分

22、比误差为+13.2%和-12.1% 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)43第二节 小功率测量44采用功率计的测试方框图45一些传感器具有代表性的检测功率范围：-70dBm -20dBm-30dBm +20dBm-17dBm +35dBm-10dBm +35dBm46校准1. 连接系统，在待测件（DUT）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;3. 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;4 如果要采用绝对功率读数，调节源的输出使

23、功率计上显示为0dBm。（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0dBm信号驱动时可能在功率计上超范围了。此时可以采用诸如-5dBm或-10dBm作为参考）。4748采用频谱仪的测试方案49频谱仪测试举例50举例51衰减器测试发射机通过式功率计DUT负载电缆1电缆2电缆3插入损耗为-1.5dB滤波器测试发射机DUT通过式功率计负载电缆1电缆2电缆3测试DUT输入功率测试DUT输出功率52测试发射机通过式功率计通过式功率计负载电缆1Nm-Nm转接器Nm-Nm转接器测试发射机通过式功率计DUT负载电缆1Nm-Nm转接器Nm-Nm转接器通过式功率计Nm-Nm转接器P1=28.7WP2=24.0WP3=28.0 WP4=16.8W第三节 中功率测量53 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.54 中等功率测试方框图5556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.57下面将对两个1W的测试方案进行分析