微波測量課件：第四章 功率測量

1、1第四章 微波功率測量微波功率測量第一節(jié) 基本概念第二節(jié) 小功率測量第三節(jié) 中功率測量第四節(jié) 大功率測量第五節(jié) 峰值功率測量 周期矩形脈沖測量(平均占空比法) 直接脈沖法 直接讀數(shù)法23信號電平太低信號淹沒于噪聲合適信號電平的重要性信號電平太高產(chǎn)生非線性失真Nonlinear distortion甚至損毀器件RL 0.0 dBmATTEN 10 dB10 dB / DIVSTART 150 MHz STOP 1.150 GHzRB 3.00 MHz VB 300 kHz ST 13.89 msec 為何不測量電壓DCLow FrequencyHigh FrequencyVIncVRefZSZO

2、RLVRLVRL-+ZSZSII電壓測量簡單直觀，如果需要功率，計算也非常簡單。P=VI頻率接近1GHz時，因為此時直接測電壓和電流是不切實際的。其中一個很重要的原因是電壓和電流沿?zé)o耗傳輸線不同位置變化，而功率時恒定的；如果時波導(dǎo)傳輸線，電壓和電流難以定義；因此，對射頻微波而言，功率易于測量也易于理解，比電壓和電流應(yīng)用更廣泛功率定義: P = (I)(V)IRV+-AmplitudetPIVDC component of powerAC component of power對交流信號而言，功率時時間函數(shù)。電流和電壓乘積時正弦曲線，頻率時交流信號的2倍，相對于直流而言一般用平均功率表示。功率曲線

3、覆蓋的面積除以發(fā)生這段功率的時間長度（通常采用周期時間內(nèi)的功率）。電路理論中對任意負載，功率為電壓和電流的乘積，P = (I)(V)。功率因子P（定義為電壓和電流的正弦函數(shù)乘積）對于純電阻負載，功率P為某一瞬時電壓和電流的乘積。第一節(jié) 基本概念微波功率是除頻率外,表征一個微波信號的重要參數(shù).微波功率測量中常用的單位 瓦(W), dB, dBm6功率單位為瓦特 watt (W): 1W = 1 joule/sec源于瓦特的電參數(shù): 1 volt = 1 watt/ampere以dB表示的相對功率: P(dB) = 10 log(P/Pref)以dBm表示的絕對功率: P(dBm) = 10 lo

4、g(P/1 mW)單位及定義a) dB dB是一個表征相對值的值，當(dāng)考慮甲的功率相比于乙功率大或小多少個dB時， 按下面計算公式：10lg（甲功率/乙功率）. 也可以表述為與電壓和電流的關(guān)系: 20lg（甲電壓/乙電壓）, 20lg（甲電流/乙電流）7例1 甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。 也就是說，甲的功率比乙的功率大3 dB。例2 如果甲的功率為46dBm，乙的功率為40dBm，則可以說，甲比乙大6 dB。例3 2 106 0.5 10-15可表述為 63dB-153dB8b) dBm dB表示的是一個相對關(guān)系,而dBm是用來表述絕對功率的大小.其

5、定義為: 10lg（功率值P/1mw） 1mw只是作為一個參考,而只有P可以變化,所以dBm可以表示為功率的絕對大小.9例1 如果發(fā)射功率P為1mw，折算為dBm后為0dBm。 例2 對于40W的功率，按dBm單位進行折算后的值應(yīng)為： 10lg（40W/1mw)=10lg（40000）=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。10c) dBc 有時也會看到dBc，它也是一個表示功率相對值的單位，與dB的計算方法完全一樣。 一般來說，dBc 是相對于載波（Carrier）功率而言，在許多情況下，用來度量與 載波功率的相對值，如用來度量干擾（同頻干擾、互調(diào)干擾、交調(diào)干擾、帶外干擾等

6、） 以及耦合、雜散等的相對量值。11在眾多功率測量儀表中，功率計是最常用的，其精度達1/100dB，其他的如網(wǎng)絡(luò)分析儀，頻譜分析儀，示波器可達1/10dB。功率計采用功率探頭將功率轉(zhuǎn)換成電壓測試，顯示成對數(shù)或線性功率表示方式.1314結(jié)構(gòu)框圖Substituted DC orlow-frequency equivalentNet RF power absorbed by sensorPower SensorPowerMeterDisplay Diode DetectorsThermocouplesThermistors功率探頭將射頻微波功率轉(zhuǎn)換為直流或低頻信號輸入到功率計主機，然后在主機中檢測

7、此信號，每一直流信號對應(yīng)一射頻微波功率。又三種類型的功率探頭：熱敏電阻，熱電偶及檢波二極管16熱敏電阻式平衡電橋 直流替代法 熱敏電阻座eg偏置電源 E熱電偶兩種不同金屬組成熱電偶，節(jié)點溫度不同產(chǎn)生熱電動勢檢波二極管利用二極管平方率特性R3R1R2RbR1/R2=R3/RbPDC+PRF=Constant測輻射熱計Characteristic curves of a typical thermistor element測輻射熱計，通常是用熱敏電阻隨溫度變化改變阻值的原理設(shè)計的，對于熱敏電阻型的功率探頭其實也是屬于測熱輻射計這一類。當(dāng)射頻微波信號消耗在熱敏電阻上時產(chǎn)生溫度變化，作為熱敏電阻這種半

8、導(dǎo)體器件，其阻值隨溫度變化而變。典型熱敏電阻由直徑0.4mm的金屬氧化物小珠及0.03mm引線構(gòu)成。由圖可知，阻值在不同溫度下與功率大小都是非線性變化的。可用電橋替代。A self-balancing bridge containing a thermistorRF PowerThermistormountRRRRT-+Bias常用的惠斯登電橋是一種平衡電橋，即電橋兩端電壓相同，放大器兩輸入端相等。在功率計中，若沒有射頻微波功率加到熱敏電阻上，電橋平衡，若有，則使得熱敏電阻溫度升高，阻值減小，此時放大器兩端輸入不同，放大器作為反饋回路自動減小直流偏壓，等效于是熱敏電阻冷卻到原來的溫度，增大阻值

9、，維持電橋平衡。因此，減小的直流功率應(yīng)等于由于射頻微波功率加到熱敏電阻上的功率，可用儀表測出放大器減小的等效于微波功率作用的值，這種直接測直流功率替代測射頻微波功率的方法稱為直流替代法。而且這種測試不需要外部參考信號，我們也稱為閉環(huán)測試。測輻射熱計這種自平衡電橋結(jié)構(gòu)，由于熱敏電阻本身還將受到環(huán)境溫度的影響，而且測試前還要先預(yù)熱，校準(zhǔn)，由于環(huán)境溫度變化，測試結(jié)果還是不可靠，對此，通常采用另一個熱敏電阻來檢測環(huán)境溫度的變化，予以修正。Physics of a thermocouple熱電偶Bound IonsDiffused ElectronsE-fieldThe principles behin

10、d the thermocoupleVhHot junctionMetal 1Metal 2-+V2-+12hV = V + V - V0熱電偶21Thermocouple implementation RF InputThin-FilmResistorn - TypeSiliconhot junctionhotcoldcold junction Thin-FilmResistorTo dc VoltmeterCcCbn - TypeSilicongold leadsgold leadsRF powerThermocouples熱電偶22場效應(yīng)管斬波器RF IN20 dBPAD熱電偶前置放大至

11、功率計主機220Hz方波驅(qū)動自動零HP8485A熱電偶探頭簡化原理方框圖 （2）熱電偶探頭：熱電偶對微波能量的傳感作用是吸收微波功率 產(chǎn)生熱，并把熱變換為熱電壓，上圖示出了熱電偶探頭的簡化方框圖。 熱電偶式探頭與熱敏探頭相比有很明顯的優(yōu)勢，它們具有更高的靈敏度（-30dBm），較低的端口駐波（SWR）。典型代表為HP437功率計的大功率探頭。檢波二極管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檢波二極管25 新型的檢波二極管式功率探頭 隨著二極管技術(shù)的發(fā)展，使得檢波二極管形成功率探頭配置成為可能。 檢波二極管服從于二極管方程i=Is（eV-1） 展開成冪級數(shù)的形式： i=IsV+(V)2/2!+（V)3 /3! + 其平方律區(qū)：噪聲電平開始(一般可從-70dBm開始)一直延伸到-20dBm左右； 過渡區(qū)：-20dBm到0dBm為過渡區(qū)； 線性區(qū)：0dBm以上對應(yīng)于線性區(qū)。 二極管的溫度特性、頻響特性、線形特性必須加以修正，其動態(tài)范圍、靈敏度、測量速度，都較熱敏電阻式、熱偶式有較大的提高。 大動態(tài)范圍電路Low Power

13、 PathHigh Power Path RF Input終端式測量法27直流或低頻信號射頻功率功率傳感器功率計顯示 檢波二極管熱偶電阻熱敏電阻終端式功率計的幅度精度最高，其典型值可達1.6%可測量極小幅度的功率，低至-70dBm（100pW）不能測大功率，上限一般為20dBm（100沒W），需外接衰減器或定向耦合器可檢測各種調(diào)制信號的平均功率、峰值功率、突發(fā)功率（Burst）等不能測量VSWR量熱式測量法28水冷負載流量計冷卻劑入冷卻劑出溫度計量溫度計讀書差冷卻劑流速GPM（加侖/分）冷卻劑入口溫度為30，出口溫度為49；冷卻劑為50%的乙二醇二乙酸和50%的水；流速為10GPM；流速誤差為

14、0,3%；溫度計誤差為0.1。誤差約為5%通過式測量法29通過式功率計是一種信號激勵裝置，采用了一個無源的二極管射頻傳感器。在同軸線的一側(cè)裝有一個定向的，半波二極管檢測波電路并將其接到一個已校正的表頭以讀出有效值功率。檢波電路與傳輸線通過介質(zhì)耦合，并根據(jù)置于傳輸線旁的傳感器的方向取樣出正向和反射功率。通過式功率計特點頻率范圍教寬（傳輸線能通過即可）動態(tài)范圍較大（可調(diào)節(jié)耦合度大?。┒ㄏ蝰詈掀鳛檎瓗В」β蕰r定向耦合器等效為衰減器，不能測太大的動態(tài)范圍體積不能太小能測駐波？30定向耦合器31耦合度： C=10lg（P1/P3）（dB）插入損耗：LI=10lg（P1/P2）隔離度： I=10lg（P

15、1/P4)（dB）方向性：D=10lg(P3/P4)(dB) I=C+D源負載放大器終端式功率計終端式功率計正向功率Pi反向功率Pr泄露功率Pb1234定向耦合器放大器輸出為50dBm（100W），負載VSWR為1.5（反射功率為36dBm，即4W）定向耦合器耦合度為30dB，從1端口耦合到3端口的正向功率為：Pi=50dBm-30dBm=20dBm=100mW從2端口耦合到4端口的反射功率為：Pr=36dBm-30dBm=6dBm=4mW若定向耦合器的方向性為無窮大，1端口功率不會泄漏到4端口，接在4端口的功率計指示4dBm，方向性誤差為零，實際上此種情況不存在。若定向耦合器方向性為25dB

16、，則1端口和4端口之間的隔離度為：I=30dB+25dB=55dB從1端口泄漏到4端口的泄漏功率為：Pb=50dBm-55dBm=-5dBm=0.316mw若定向耦合器方向性為405dB，則1端口和4端口之間的隔離度為：I=30dB+40dB=70dB從1端口泄漏到4端口的泄漏功率為：Pb=50dBm-70dBm=-20dBm=0.01mw可見，方向性越高，測量精度越高。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 微波功率測量誤差分析 阻抗失配引起的測量誤差 功率探頭的其它不確定度 引起測量誤差的其它因素34功率測量誤差校準(zhǔn)因子不確定度探頭線性度、溫度漂移校準(zhǔn)源不確定度、失配不確定度校零不確定度，零點漂移噪聲、 1計數(shù)模糊探頭失配不確定度35 阻抗失配引起的測量誤差 功率測量示意圖 由于信號源或傳輸線的特性阻抗和功率探頭的射頻輸入阻抗之間或多或少存在著阻抗失配，于是就存在了失配誤差。 PL = （1-S2）（1-L2） PS (1SL )2信號源功率探頭功率計主機36 阻抗失配引起的測量誤差信號源功率計設(shè)源的駐波VSWRG=1.75（G=0.27），功率計駐波V

18、SWRL=1.10（ L=0.05），則失配不確定度為：MU(%)=2X0.27X0.05X100%=2.7%37 功率探頭的其它不確定度 功率探頭存在效率的不理想。有兩個參數(shù)定義探頭的設(shè)計效率，即有效效率和校準(zhǔn)因子。 有效效率定義如下L= Psub/PLPL 為吸收的凈功率，Psub 是對正在測量的射頻功率的替代低頻等效。 校準(zhǔn)因子是將有效效率和失配損耗結(jié)合一起的探頭修正系數(shù)。校準(zhǔn)因子用Kb表示，定義如下： Kb =Psub/PI 在上式中PI是指功率探頭輸入端口上的入射波功率 引起測量誤差的其它因素 (1)參考振蕩器 (2)功率線性度 (3)功率計主機 零點調(diào)節(jié) 噪聲 漂移 1計數(shù)38 功

19、率線性度 功率探頭的線性度 功率計主機的線性度 線性誤差（%）=（ -1）*100% 功率探頭的阻抗特性 反射系數(shù)、回波損耗 電壓駐波比（VSWR）， p= RL= -20log(p) SWR= （1+ p）/（1- p）p為反射系數(shù)，RL為回波損耗，SWR為駐波比。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總的不確定度失配不確定度：2.7%校準(zhǔn)因子不確定度：1.75%儀表不確定度：1.5%參考功率源不確定度：1.2%總的不確定度=（2.7%+1.75%+1.5%+1.2%）=7.15%40實際情況下，總的誤差不會出現(xiàn)在最差情況下，一般可采用均方根（RSS）法來表達系統(tǒng)的平均誤差RSS=4.47%RSS（dB）=10lg（1RSS）轉(zhuǎn)換為分貝后：+0.19dB/-0.20dB頻譜分析儀法41低通濾波器邏輯放大器輸入衰減器混頻器中頻濾波器檢波器視頻濾波器本振鋸齒波發(fā)生器中頻放大器輸入信號顯示頻譜分析儀的幅度不確定度影響不確定度的因素不確定度計算舉例條

21、件頻率響應(yīng)0.38dB0.38dB3Hz3GHz，10dB輸入衰減頻率響應(yīng)0.69dB-3Hz3GHz，2040dB輸入衰減頻率響應(yīng)（預(yù)防開啟時）0.70dB-100kHz3GHz輸入衰減器開關(guān)不確定度0.30dB0.30dB3Hz3GHz幅度測量精度0.24dB0.24dB3Hz3GHz，10dB輸入衰減，分辨率帶寬為10Hz至1MHz之間，輸入信號為-10dBm-50dBm分辨率帶寬開關(guān)不確定度0.03dB0.03dB1HzMHz RBW參考電平精度0dB顯示刻度0.07dB0.07dB混頻器輸入小于-20dBm42頻率響應(yīng)是影響精度的主要因數(shù)，其他如失配誤差等?？偟牟淮_定度為：換算成百分

22、比誤差為+13.2%和-12.1% 下面我們按小,中,大三個不同功率范圍來討論功率測量方案. 具體范圍: 小功率: 1mw ( 10W ( 40dBm)43第二節(jié) 小功率測量44采用功率計的測試方框圖45一些傳感器具有代表性的檢測功率范圍：-70dBm -20dBm-30dBm +20dBm-17dBm +35dBm-10dBm +35dBm46校準(zhǔn)1. 連接系統(tǒng)，在待測件（DUT）處連接校準(zhǔn)電纜;2. 打開信號源及功率計電源開關(guān)，使信號源輸出最小;3. 如果要采用相對功率讀數(shù)，調(diào)節(jié)信號源的輸出使功率計上顯示有一個合適的數(shù)值，記下這個數(shù)值作為參考功率;4 如果要采用絕對功率讀數(shù)，調(diào)節(jié)源的輸出使

23、功率計上顯示為0dBm。（如果待測件為有源器件如放大器檢查一下對該器件的最大輸入是多少，因為可能0dBm信號驅(qū)動時可能在功率計上超范圍了。此時可以采用諸如-5dBm或-10dBm作為參考）。4748采用頻譜儀的測試方案49頻譜儀測試舉例50舉例51衰減器測試發(fā)射機通過式功率計DUT負載電纜1電纜2電纜3插入損耗為-1.5dB濾波器測試發(fā)射機DUT通過式功率計負載電纜1電纜2電纜3測試DUT輸入功率測試DUT輸出功率52測試發(fā)射機通過式功率計通過式功率計負載電纜1Nm-Nm轉(zhuǎn)接器Nm-Nm轉(zhuǎn)接器測試發(fā)射機通過式功率計DUT負載電纜1Nm-Nm轉(zhuǎn)接器Nm-Nm轉(zhuǎn)接器通過式功率計Nm-Nm轉(zhuǎn)接器P1=28.7WP2=24.0WP3=28.0 WP4=16.8W第三節(jié) 中功率測量53 在微波功率測量當(dāng)中,大約95%都屬于中功率部分,前面我們已經(jīng)定義了中功率的范圍: 0dBm to 40dBm. 相比小功率測量,中功率及大功率測量必須考慮所選元件,及探頭的功率處理能力,不然,后果會很嚴重.54 中等功率測試方框圖5556對于衰減器的功率處理能力的考慮衰減器衰減量:10dB 承受功率:0.5W 在上面的測試方案中,衰減器的輸入功率只有20dBm,所以在該方案中,這個衰減器足以勝任,一般要保持50%以上的余量.57下面將對兩個1W的測試方案進行分析