现代微波测量技术(三)

现代微波测量技术（三）

信号电平与功率测量表征微波信号的三个重要基本参数

阻抗频率功率

低频电子电路电压电流

3.1概述

微波传输线中

电压、电流参数使用不方便，特别是在非TEM波传输线系统中电压、电流的定义失去了唯一性，如单导体传输线波导－模式电压，模式电流。传输功率是确定的！工作模式圆波导H02、H03…H62H02、H03－H01H01－H11

而在TEM波传输线系统工作于主模且在行波条件下，行波电压V、电流I和传输功率P仍满足与低频电路相同关系式。典型代表同轴线微波功率常用度量单位

GWMWkWWmWμWpW109106103110－310－610－12

实际应用中，如一个通讯或雷达系统中各部分信号功率范围相差可达10个数量级以上，上述表示方法不方便——对数单位。

远程警戒雷达，航空管制雷达---MW倒车雷达----mW微波功率常用度量单位

0dBm-30dBm27dBm0dBW=?dBm1mW?mW?W1W1dBm5dBm？dBm10dBW=?dBm?mW?mW3mW?峰值、有效值终端接匹配负载50Ω同轴传输线中，终端负载电压与吸收功率关系。（有效值）幅（峰）值

TD6604数字存储示波器，输入阻抗50Ω,模拟带宽6GHz平均功率，脉冲功率，峰值包络功率一些基本概念CW场合功率基本定义平均功率脉冲功率峰值功率、峰值脉冲功率对于CW信号，平均功率脉冲功率峰值功率、峰值脉冲功率平均功率测量技术使用最普遍，方便、精度高一致对于复杂调制信号？常见微波功率测量仪器

常见微波功率测量仪器

－10dBm~＋20dBm国产小型功率计常见微波功率测量仪器

－40dBm~＋20dBm0.5-18GHzHP8991A峰值功率计常见微波功率测量仪器

－70dBm~＋20dBm50MHz-26.5GHz－30dBm~＋20dBm26.5GHz-40GHzE4418B连续波功率计常见微波功率测量仪器

10kW（70dBm）S波段水负载量热式大功率计

上述微波功率测量仪器有什么特点？微波功率信号低频电信号指示信号处理微波功率信号热能低频电信号指示信号处理传感器－功率探头传感器－功率探头RF/Microwave热或低频电信号热敏电阻热电偶二极管检波器微波功率计分类

微波功率计分类

通过式功率头输入为高阻抗（或已知耦合度），并接在传输线上，不影响传输线对信号的传输。微波功率计分类

终端式微波功率计分类

功率敏感元件与适当负载结合，二者的总输入阻抗等于传输线的总输入阻抗，则被测功率被敏感元件转换成低频或直流信号送入指示器。－检波器3.2.1微波检波二极管

检波二极管检波器微波检波二极管是依靠金属丝与硅半导体之间形成的势垒产生检波作用-二极管的非线性特性产生直流或低频电流及电压。早期使用点接触式硅二极管，可靠性差。现面接触，肖特基势垒。3.2.1微波检波二极管

检波二极管检波器3.2.1微波检波二极管

3.2.1微波检波二极管

几种微波检波二极管V/I特性曲线比较

3.2.1微波检波器

基本原理图3.2.1微波检波二极管

工作原理为保证宽温度范围内良好的匹配，一般选取动态电阻比特性阻抗大1－3个数量级。3.2.1微波检波二极管

工作原理当负载RvCv有直流电压Vd时，检波管上的电压瞬时值为：则检波管上的瞬时电流为：3.2.1微波检波二极管

工作原理直流输出电压Vd等于i在一个周期内的平均值乘以Rv3-2.1微波检波二极管

工作原理平方律检波检波电压与微波功率线性

（注意最佳线性范围）但示波器显示为功率波形，而非电压波形。非平方律检波检波电压与微波电压线性

参考书目《微波集成电路》《微波固态电路设计》

3-2.1微波检波二极管

灵敏度mV/mW或mV/μW灵敏度mV/mV3-2.1微波检波二极管

3-2.1微波检波二极管

使用注意事项:（1）额定功率（连续波，脉冲波）（2）阻抗匹配（瞬态测试，灵敏度）（3）平方律适用功率范围（4）灵敏度（5）输入驻波，频率范围，输出检波电平极性问题：如果信号为多频，非单个频率?3-2.6脉冲包络与脉冲、峰值功率检测

许多微波系统工作于脉冲方式，需要进行脉冲包络和脉冲功率测试。－1930年，雷达3-2.6脉冲包络与脉冲、峰值功率检测

脉冲功率的检测采用的方法有：（1）根据平均功率以及占空比计算得出。

（2）步进瓦特计（notchwattmeter）（3）直流脉冲功率比较（DC-pulsecomparison）（4）镇流电阻积分法（barretterintegrationinstrumentation）3-2.6脉冲包络与脉冲、峰值功率检测

3-2.6脉冲包络与脉冲、峰值功率检测

镇流电阻视频脉冲的斜率取决于脉冲功率、偏置电流、灵敏度及时间常数。平方律检波3-2.6脉冲包络与脉冲、峰值功率检测

最直接的方法（1），使用平均功率计得到平均功率，以及检波器、示波器得到占空比数据。平均功率3-2.6脉冲包络与脉冲、峰值功率检测

HP8990系列峰值功率计3-2.6脉冲包络与脉冲、峰值功率检测

随着无线通信技术发展，复杂数字调制信号

GSM，TDMA，CDMA

AgilentE4416/17A峰值和平均值功率计3-2.6脉冲包络与脉冲、峰值功率检测

双音测试（多载波）3-2.6脉冲包络与脉冲、峰值功率检测

双音测试（多载波，若线性良好）3-2.6脉冲包络与脉冲、峰值功率检测

双音测试（多载波，若线性良好）3-2.6脉冲包络与脉冲、峰值功率检测

双音测试（多载波，若线性良好）（峰值功率计视频带宽？）14.318MHz33MHz66MHz100MHz3-2.6脉冲包络与脉冲、峰值功率检测

双音测试（多载波，若线性良好）（峰值功率计视频带宽？）3-2.6脉冲包络与脉冲、峰值功率检测

问题1：如果信号为非连续脉冲，或占空比极低？问题2：单次窄脉冲（几十ns）？问题3：峰值脉冲功率计能否用于连续波测试？3-2.6脉冲包络与脉冲、峰值功率检测

需要同时进行脉冲包络和脉冲功率测试，一般采用检波二极管。比较实用的是替代法校准。

（1）标准源－检波器——得到功率与检波幅值对应关系。（2）待测源－检波器——得到输出功率脉冲包络对于窄脉冲（几十ns），前沿较小测试需注意，检波器输出视频带宽严重影响测试结果。3-2.6脉冲包络与脉冲、峰值功率检测

3-2.6脉冲包络与脉冲、峰值功率检测

峰值功率计（HP8991A）峰值、平均功率计AgilentE9320

高实时带宽示波器（60GHz带宽）频谱仪（选频特性）3-2.6脉冲包络与峰值功率检测

频谱仪3-3用热电偶测功率

热偶由两种不同金属接触形成一个热端接点构成。当接点温度高于冷端温度时，两种金属间会产生直流电势，其大小与冷热端的温差呈正比。3-3用热电偶测功率

3-3用热电偶测功率

3-4用测热电阻测功率

利用特殊电阻（如热敏电阻）对温度的敏感性，将高频功率加载到电阻上使其温度变化，通过测量此变化来检测输入功率。不平衡电桥3-4用测热电阻测功率（不平衡电桥）

（1）改变I0，使M指示为0，则有平衡条件：（2）在Rb上加载高频功率，则Rb变化ΔR，产生的失衡电流为3-4用测热电阻测功率（不平衡电桥）

当时，有：设，则有：即可通过测量Ig测量输入功率P。问题：与工作点有关，需定标；匹配问题环境温度敏感3-4用测热电阻测功率平衡电桥自平衡电桥温度补偿双平衡电桥3-5.2水负载式大功率计－量热式绝对量热式替代法借助微波功率在负载中消耗时产生的热量－最基本、最古老的方法大功率测试几乎唯一手段，具有较高精度3-5.2水负载式大功率计－量热式5-10kW毫米波大功率计3-5.2水负载式大功率计－量热式绝对量热式直流替代工频替代法流速出水口与入水口温差3-5.2水负载式大功率计－量热式3-6功率方程（功率探头/传感器分析）

3-6功率方程

式中，共扼匹配时RL=RS资用功率共扼匹配功率方程四个重要基本概念

（1）功率源资用功率PA表征源的最大可利用功率，即共扼匹配时功率源的输出功率。（2）功率源向无反射负载（）传输的功率表征源的输出功率。功率方程四个重要基本概念

（3）源入射到负载的入射波功率（4）源传输到负载的静功率测量功率源输出，实际上要求测量功率源向无反射负载的输出功率P0。（一般不可能要求功率计探头与所测功率源输出实现共扼匹配。）只给出输出驻波参数（50Ω）3-6功率方程

3-6功率方程

误差来源：失配，探头微波吸收特性，信号处理、读数3-6功率方程

失配3-6功率方程

探头微波吸收特性－效率替代误差高频－DC或低频转换3-6功率方程

失配＋有效效率（含效率与替代误差）

校正因子CF现代功率计（智能探头）已将校正因子折合至读数微卡标准功率基准与传递功率计比对思考：功率方程级数推导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；连接器和适配器拧紧，避免产生损耗；波导连接法兰接触良好；不要去接触衰减器或终端负载的散热器；不要去接触裸露在外的微带电路；尽可能采取屏蔽措施，以免造成辐射干扰；检查将要通过器件的功率；检查所有器件的损耗（如定向耦合器、衰减器）。例如当有0.5dB的损耗，在100W—11W损耗。

1dB—20W损耗在对大功率微波进行测量时，特别注意：微波泄漏与功率损耗小结：微波功率测量注意要点（1）充分了解待测信号样式（调制特性、输出功率、频率范围）（2）测试数据的不确定度和功率基准追溯（3）了解可采用的功率计特性与使用注意事项（4）根据实际情况选择最合适的仪器与测试方法，最好能进行不同方法测试数据比较。（5）归零与校准过程预防损坏功率计和探头的7项措施1、避免过载预防损坏功率计和探头的7项措施2、注意探头警示信息预防损坏功率计和探头的7项措施3、注意保护探头微波接头预防损坏功率计和探头的7项措施4、合适的微波电缆与接头处理预防损坏功率计和探头的