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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,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,为何不测量电压,DCLow FrequencyHigh Frequency,V,Inc,V,V,-,+,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
2、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),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
3、的单位 瓦(W),dB,dBm,6,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 log(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
4、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-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+10lg1000=46dBm
5、。,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.,13,14,结构框图,Substituted DC orlow-frequency equivalent,Net
6、 RF power absorbed by sensor,Power Sensor,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,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,R3,R1,R2,Rb,R1/R2=R3/Rb,PDC+PRF=Constant,测辐射热计,Characteristic curves of a typical thermistor
7、 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,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
8、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 t
9、hermocouple,热电偶,Bound Ions,Diffused Electrons,E-field,The principles behind the thermocouple,Hot junction,Metal 1,Metal 2,-,+,1,2,h,V=V+V-V,0,热电偶,21,Thermocouple implementation,RF Input,Thin-FilmResistor,n-TypeSilicon,hot junction,hot,cold,cold junction,Thin-FilmResistor,To dc Voltmeter,C,c,n-TypeSi
10、licon,gold leads,gold leads,RF power,Thermocouples,热电偶,22,场效应管斩波器,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?,V,s,C,b,R,matching,R,s,V,o,+,-,Square Law
11、 Region of Diode Sensor,0.01 mW,-70 dBm,(log),Linear Region,watts,0.1 nW,-20 dBm,V,o,Noise 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
12、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,27,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）,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,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,
13、探头失配不确定度,30,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
14、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,32,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 Source10 GHz,Power Sensor,Power Meter,Mismatc
15、h Uncertainty=2 r r 100%,SOURCE,SENSOR,SOURCE,SWR=2.0,SENSOR,SWR=1.22,r=0.33,r=0.10,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:10W(40dBm),34,第二节 小功率测量,35,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：-70dBm-20dBm-30dBm+20dBm-17dBm+35dBm-10dBm+35dBm,37,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
16、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）。,38,39,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.,4
17、3,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
18、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：,1.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；2.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；4.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；6.加射频功率以前,检查所用器件的功率处理能力；7.加射频功率以前,检查测试设备的最大允许输入电平;8.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功率情形下有11
19、W的损耗。,57,第五节 峰值功率测量,3.5.1 周期矩形脉冲测量(平均占空比法)3.5.2 直接脉冲法3.5.3 直接读数法,58,59,3.5.1 周期矩形脉冲测量(平均占空比法),60,61,平均功率占空比法,3.5.2 直接脉冲法,62,步骤第一步：调节脉冲包络的参考；第二步：调节连续波输出的频率和脉冲频率一致并使连续波经检波后在示波器上和第一步有同样的幅度；第三步：在功率计上测出连续波的平均功率。最后，利用公式可计算出脉冲功率。,63,直接脉冲法,3.5.3 直接读数法,如果采用峰值功率计,就可以直接采用前面讲述的连续波功率测量方法对功率进行测试,这里不再讲述.,64,功率测量中，最常测量的是平均功率，脉冲功率和峰值包络功率可由测量的平均功率按已知的占空系数计算而得,也可由峰值功率计、峰值分析仪测量而得。,
