微波信號功率測量

1、第七章第七章 微波信號功率的測量微波信號功率的測量主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：n功率測量的基礎(chǔ)知識功率測量的基礎(chǔ)知識n微波功率計(jì)的測量原理微波功率計(jì)的測量原理n微波功率測量的誤差分析微波功率測量的誤差分析7.1 7.1 功率測量概述功率測量概述主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：n功率的定義和單位功率的定義和單位n功率方程功率方程n微波功率測量的一般電路微波功率測量的一般電路一、功率的基本定義一、功率的基本定義: :1.1.平均功率平均功率：信號在一個周期內(nèi)能量變化的平：信號在一個周期內(nèi)能量變化的平均速率。瞬時信號的平均功率由下式給出：均速率。瞬時信號的平均功率由下式給出： TdttpTP0)(1 通常功率定義為在所

2、包含最低頻率的多個周通常功率定義為在所包含最低頻率的多個周期上，單位時間所傳輸能量的平均值。期上，單位時間所傳輸能量的平均值。 nTavdttpnTP0)(1Average PowertimeAverage over several modulation cyclesAverage over many pulse repetitions 如果被測信號的電壓和電流是連續(xù)的正弦波如果被測信號的電壓和電流是連續(xù)的正弦波（CWCW），那么其平均功率的表達(dá)式為：），那么其平均功率的表達(dá)式為： P=VP=VI Icoscos式中，式中，P P為平均功率；為平均功率；V V為電壓的均方值；為電壓的均方值；I

3、 I為電流的為電流的均方值；均方值；為電壓與電流的相位差。為電壓與電流的相位差。 在實(shí)際測量中，用于接受功率的功率傳感器表現(xiàn)在實(shí)際測量中，用于接受功率的功率傳感器表現(xiàn)為一個純電阻負(fù)載，所以上述公式變?yōu)椋簽橐粋€純電阻負(fù)載，所以上述公式變?yōu)椋?P=VP=V2 2/R /R 或或 P=IP=I2 2R R1.1.平均功率平均功率： 另外，也可將功率傳感器設(shè)計(jì)成另外，也可將功率傳感器設(shè)計(jì)成“均方值均方值”響應(yīng)傳感器。如果一個被測信號包含有很多響應(yīng)傳感器。如果一個被測信號包含有很多頻譜分量，那么該傳感器將對所有頻譜分量頻譜分量，那么該傳感器將對所有頻譜分量給出如下響應(yīng)：給出如下響應(yīng)： P=(VP=(V1

4、 12 2+V+V2 22 2+ +V+Vn n2 2)/R)/R 該式表明響應(yīng)的總功率是多個正弦信號該式表明響應(yīng)的總功率是多個正弦信號功率分量之和，這些譜分量可能是某種信號功率分量之和，這些譜分量可能是某種信號的調(diào)制邊帶、諧波或其他一些頻率分量。的調(diào)制邊帶、諧波或其他一些頻率分量。1.1.平均功率平均功率：2.2.脈沖功率脈沖功率 在脈沖持續(xù)時間內(nèi)取平均功率，其表達(dá)式：在脈沖持續(xù)時間內(nèi)取平均功率，其表達(dá)式：3.3.峰值功率：峰值功率： 指在載頻周期內(nèi)，占有脈沖功率包絡(luò)線最大值指在載頻周期內(nèi)，占有脈沖功率包絡(luò)線最大值處的微波功率的平均值。處的微波功率的平均值。 峰值功率峰值功率P PPPPP可

5、直接測量，或根據(jù)平均功率可直接測量，或根據(jù)平均功率PavPav、占空系數(shù)占空系數(shù)Q Q和脈沖波形系數(shù)和脈沖波形系數(shù)K K用下式計(jì)算確定：用下式計(jì)算確定：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一個更為方便的單位是一個更為方便的單位是dBm dBm 它是相對于它是相對于1mW1mW，以，以dBdB為單位的功

6、率級。因此為單位的功率級。因此0dBm0dBm是是1mW1mW。n例如例如+36dBm+36dBm是多少？讓我們由是多少？讓我們由0dBm0dBm開始，我開始，我們已經(jīng)知道它是們已經(jīng)知道它是1mW1mW。+30dBm+30dBm將是將是1 mW1 mW* *10 10 * *1010* *1010，即，即1W1W。+6dBm+6dBm是是1 W1 W* *2 2* *2 2，因此最后，因此最后結(jié)果是結(jié)果是4W4W。n-23dBm-23dBm是多少？使用同樣方法從是多少？使用同樣方法從1mW1mW開始，開始， -20dBm-20dBm是是10W10W。-3dBm -3dBm 將減半，因此最后結(jié)將

7、減半，因此最后結(jié)果是果是5W5W二、功率的單位：瓦二、功率的單位：瓦n我們通常在我們通常在SISI單位制中規(guī)定功率單位為單位制中規(guī)定功率單位為W W。這是一種。這是一種絕對測量。有時以比率說明功率更為方便。特別是絕對測量。有時以比率說明功率更為方便。特別是涉及比較涉及比較2 2個功率級的增益或損耗時。這是用分貝個功率級的增益或損耗時。這是用分貝（dBdB）表示的相對功率概念。）表示的相對功率概念。n用分貝單位表示增益或損耗有二個優(yōu)點(diǎn)用分貝單位表示增益或損耗有二個優(yōu)點(diǎn) 它是容它是容易表示大數(shù)（或小數(shù)）的計(jì)數(shù)法。此外，幾級級聯(lián)易表示大數(shù)（或小數(shù)）的計(jì)數(shù)法。此外，幾級級聯(lián)網(wǎng)的總效應(yīng)可以用相加網(wǎng)的總效

8、應(yīng)可以用相加dBdB單位的簡單方法代替線性單位的簡單方法代替線性值相乘。值相乘。二、功率的單位：瓦二、功率的單位：瓦 在功率測量中，功率常常被定義為一種在系統(tǒng)在功率測量中，功率常常被定義為一種在系統(tǒng)或系統(tǒng)元件之間傳遞的能量之比。兩種主要的功率或系統(tǒng)元件之間傳遞的能量之比。兩種主要的功率測量類型：一種是傳送功率測量，即功率計(jì)或測量測量類型：一種是傳送功率測量，即功率計(jì)或測量技術(shù)用于確定從信號源到負(fù)載的傳送功率；另一種技術(shù)用于確定從信號源到負(fù)載的傳送功率；另一種是接受功率測量即功率計(jì)或測量技術(shù)用于接收并測是接受功率測量即功率計(jì)或測量技術(shù)用于接收并測量被測信號功率。量被測信號功率。三、微波功率測量的

9、一般電路三、微波功率測量的一般電路接收變換器測量裝置讀數(shù)裝置P接收變換器測量裝置讀數(shù)裝置P至負(fù)載終端式終端式(吸收式）功率計(jì)的結(jié)構(gòu)圖吸收式）功率計(jì)的結(jié)構(gòu)圖通過式功率計(jì)的結(jié)構(gòu)圖通過式功率計(jì)的結(jié)構(gòu)圖 四四. .功率方程功率方程 功率方程是功率測量線路中正確分析待測功功率方程是功率測量線路中正確分析待測功率值的基礎(chǔ)。如圖表示了信號源和負(fù)載之間的功率值的基礎(chǔ)。如圖表示了信號源和負(fù)載之間的功率傳輸關(guān)系。率傳輸關(guān)系。信號源負(fù)載gLbacgcggZZZZbg b bg g代表信號源能向無反射負(fù)載提供的代表信號源能向無反射負(fù)載提供的信號波幅；入射到負(fù)載的入射波信號波幅；入射到負(fù)載的入射波 a a為：為：Lgg

10、ba1入射波功率入射波功率P Pinin為：為：222211LgoLgginPbaP同理，負(fù)載反射的功率同理，負(fù)載反射的功率P Pr r為：為：222LrabP因此，信號源傳輸?shù)饺我庳?fù)載上的凈功率為：因此，信號源傳輸?shù)饺我庳?fù)載上的凈功率為：2211LgLoriLPPPP 當(dāng)當(dāng) L L=g g* *時（共軛匹配），此時信號源時（共軛匹配），此時信號源傳輸?shù)截?fù)載上的功率最大，傳輸?shù)截?fù)載上的功率最大，22*2111gogggoAPPPP PA A稱為資用功率，它表明信號源可能輸出的最大稱為資用功率，它表明信號源可能輸出的最大功率。功率。222111LgLgALPP上式即為功率關(guān)系式。上式即為功率關(guān)系

11、式。7.2 微波功率計(jì)測量原理微波功率計(jì)測量原理7.2.1 7.2.1 測輻射熱式功率計(jì)測輻射熱式功率計(jì) 利用某些溫度敏感元件的電阻隨所加的高頻利用某些溫度敏感元件的電阻隨所加的高頻功率或電壓、電流的大小而變化的效應(yīng)，可構(gòu)成功率或電壓、電流的大小而變化的效應(yīng)，可構(gòu)成功率計(jì)。功率計(jì)。 基本原理：基本原理：測輻射熱式功率計(jì)主要由指示器測輻射熱式功率計(jì)主要由指示器( (一般為電橋一般為電橋) )和測輻射熱器傳感器組成。測輻射和測輻射熱器傳感器組成。測輻射熱器傳感器是對溫度極其敏感的電阻器件。當(dāng)它熱器傳感器是對溫度極其敏感的電阻器件。當(dāng)它吸收功率以后，溫度便會升高，隨之它的電阻也吸收功率以后，溫度便會

12、升高，隨之它的電阻也發(fā)生相應(yīng)變化，使用電橋電路，可以檢測出電阻發(fā)生相應(yīng)變化，使用電橋電路，可以檢測出電阻的變化，從而可確定它所吸收的功率。的變化，從而可確定它所吸收的功率。 7.2.1 7.2.1 測輻射熱式功率計(jì)測輻射熱式功率計(jì))(41222121IIRPPPbrfEPrfV一一. . 測熱電阻元件測熱電阻元件1.1.鎮(zhèn)流電阻鎮(zhèn)流電阻2. 2. 熱敏電阻熱敏電阻3.3.薄膜電阻薄膜電阻電橋法測量微波小功率原理電橋法測量微波小功率原理平衡式電橋平衡式電橋平衡式電橋的基本電路如圖所示：平衡式電橋的基本電路如圖所示： 假設(shè)高頻功率與直流（或低頻）功率對測熱假設(shè)高頻功率與直流（或低頻）功率對測熱電阻

13、有同樣發(fā)熱效果，則被測功率電阻有同樣發(fā)熱效果，則被測功率P Pinin應(yīng)等于先后應(yīng)等于先后兩次平衡時兩次平衡時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?yàn)閮纱纹胶鈺r因?yàn)閮纱纹胶鈺rR Rb b均等于均等于R R，于是，于是RVVIIRPin44222122212. 自平衡電橋自平衡電橋3. 3. 直流溫度補(bǔ)償雙自平衡電橋原理直流溫度補(bǔ)償雙自平衡電橋原理7.2.2 7.2.2 熱電偶式功率計(jì)熱電偶式功率計(jì)n兩個優(yōu)點(diǎn)：兩個優(yōu)點(diǎn)：1 1）高靈敏度；）高靈敏度；2 2）平方律的特性）平方律的特性lThe principles behind the t

14、hermocoupleVhHot junctionMetal 1Metal 2-+V1-+V2-+12hV = V + V - V0V0 席貝克效應(yīng)（或熱電效應(yīng)）：當(dāng)兩種不同金屬席貝克效應(yīng)（或熱電效應(yīng)）：當(dāng)兩種不同金屬的節(jié)點(diǎn)的溫度被加熱到高于其余兩個自由端的溫度的節(jié)點(diǎn)的溫度被加熱到高于其余兩個自由端的溫度時，在兩個自由端之間便會出現(xiàn)直流電勢，其大小時，在兩個自由端之間便會出現(xiàn)直流電勢，其大小與冷熱端的溫差成正比。與冷熱端的溫差成正比。鉍一銻薄膜式熱偶鉍一銻薄膜式熱偶 熱電偶熱電偶7.2.3 7.2.3 微波晶體二極管式功率計(jì)微波晶體二極管式功率計(jì)晶體管檢波的原理晶體管檢波的原理一般金屬一般金屬

15、半導(dǎo)體結(jié)二極管的伏安特性為半導(dǎo)體結(jié)二極管的伏安特性為11vskTqvseIeIi其中其中I Is s為反響飽和電流；為反響飽和電流；q q為電子電荷；為電子電荷；k k為波爾茲為波爾茲曼常數(shù)；曼常數(shù)；T T為熱力學(xué)溫度。為熱力學(xué)溫度。VsCbRmatchingRsVo+-wattsSquare Law Region of Diode Sensor0.01 mW-70 dBmVO(log)Linear Region0.1 nW-20 dBmVoPINPIN改進(jìn)的功率傳感器改進(jìn)的功率傳感器更寬的動態(tài)范圍更寬的動態(tài)范圍7.2.47.2.4量熱計(jì)法測量微波小功率量熱計(jì)法測量微波小功率 借測量微波功率在

16、負(fù)載中消耗時所產(chǎn)生的借測量微波功率在負(fù)載中消耗時所產(chǎn)生的熱量來測量微波功率，是一種最基本、最古老熱量來測量微波功率，是一種最基本、最古老的方法。的方法。工作方式：靜止式工作方式：靜止式 媒質(zhì)是固體，液體或氣體媒質(zhì)是固體，液體或氣體 流動式流動式 媒質(zhì)是水或油媒質(zhì)是水或油功率傳感元件：干負(fù)載功率傳感元件：干負(fù)載 小、中、大功率測量小、中、大功率測量 流體負(fù)載流體負(fù)載 中、大功率測量中、大功率測量由熱力學(xué)原理，該系統(tǒng)的熱平衡方程為由熱力學(xué)原理，該系統(tǒng)的熱平衡方程為：C11PGC2,2122221110GdtdCGdtdCP設(shè)設(shè)C C1 1CC2 2，則兩者之間的溫差，則兩者之間的溫差為：為：/21

17、11tsteeGP式中式中=C=C1 1/G/G，熱時間常數(shù)；，熱時間常數(shù)；s s=P/G=P/G，穩(wěn)態(tài)溫差。，穩(wěn)態(tài)溫差?？梢?，可見，=s s（tt）PP。7.37.3微波大、中功率測量微波大、中功率測量擴(kuò)展小功率計(jì)量程法擴(kuò)展小功率計(jì)量程法（1 1）衰減器法）衰減器法信號源衰減器功率座指示器PAPLPsALgs 假定系統(tǒng)處于匹配狀態(tài)，即假定系統(tǒng)處于匹配狀態(tài)，即s s=L L=g g=0=0，A A準(zhǔn)確準(zhǔn)確已知，則已知，則1010lg10)(AsLsLPPPPdBA（2 2）定向耦合器法）定向耦合器法 10/10ACcoutPP2.2.流體量熱計(jì)法流體量熱計(jì)法)(WTcdvP 一、一、測量射頻脈

18、沖重復(fù)周期內(nèi)的平均功率法測量射頻脈沖重復(fù)周期內(nèi)的平均功率法 設(shè)脈沖為矩形，寬度為設(shè)脈沖為矩形，寬度為，重復(fù)周期為，重復(fù)周期為T T（=1/f=1/f）。用連續(xù)波功率計(jì)測出脈沖的平均功）。用連續(xù)波功率計(jì)測出脈沖的平均功率率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是射頻脈沖的占空系數(shù)。是射頻脈沖的占空系數(shù)。當(dāng)脈沖為非理想矩形時，當(dāng)脈沖為非理想矩形時， Ppp=KQPav7.4 7.4 微波脈沖功率測量微波脈沖功率測量 Ppp=PavQ10 C/10二二. . 峰值檢波法峰值檢波法7.4 7.4 微波功率測量的失配誤差分析微波功率測量的失配誤差分析Sources of Power Measurement UncertaintylSensor and source mismatch errorslPower sensor errorslPower meter e