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淺析：射頻功率計原理、分類、指標及應用 一、功率計概述 在直流和低頻時，功率測量可以通過電流和電壓的測量來完成。但是當信號的頻率高于幾十兆赫甚至上百吉赫時，工作波長已經與測量裝置的尺寸相近，電流和電壓隨傳輸線的位置而變化，因此電流和電壓不再適用測量。微波功率是描述信號大小和信號通過電子系統或傳輸線時能量傳輸特性的量，它是電子計量中最重要的參量之一，是微波信號傳輸中更通用的測量參數。 測量微波功率最常用的是“測熱”的方法，即把微波功率轉換成熱能，然后用測熱的方法進行測量。常用的測熱式功率測量儀器有量熱式功率計、熱敏式功率計、熱電偶式功率計。此外，還有用其他物理效應進行功率測量的功率計，例如二極管檢波功率計。 
二、功率測量概念 微波功率的幾個不同表達式 功率的單位是瓦特，用符號w表示，1W=1J/s,它是國際單位制(SI)基本單位導出的。為了使用方便，還有其他的表示形式:千瓦(1kW=103w)、亳瓦(1mW=10-3w)、微瓦(1μW=10-6W)，等等。 上面功率的定義都是線性表達形式，還有對數表示，最常見的對數形式就是分貝毫瓦(dBm),表達式如下:PdBm=10lg(P/1mW) 其中，P的單位為mW。在很多情況下，例如為了測量增益或衰減，需要得到兩個功率的比值，而不是絕對功率。相對功率是一個功率值P和其他參考功率值Prer的比值，相對功率通常表示為對數的形式: PdBm=10lg(P/Prer) 使用對數表示相對功率有兩個優點: （1）相對功率較大時使用對數表示比較方便，dB是一個比較“大”的量，例如相對功率-150~60dB，如果用線性表示10-15-1016，線性比值非常大，表示及不方便； （2）對數表示在級聯系統中計計算增益比較方便，它用加減替代了線性計算過程中的乘減關系。 三、功率計種類 （1）熱敏式功率計 測輻射熱器的基本原理：對于高頻和微波小功率的測量，測輻射熱器法是一種最常用的方法。測輻射熱器是一種對溫度極其敏感的電阻。當它吸收功率時，其電阻值將發生明顯的變化。使用電橋電路，可以檢測出電阻的變化，從而確定它所吸收的功率。
（2）熱電偶式功率計 熱電偶的基本原理：熱電偶是由兩種不同材料的金屬組成的。若它的兩個節點處于不同的溫度，便有熱電勢產生，且熱電勢與兩個節點之間的溫度差成正比。對于不同的材料組合，其熱電勢也不盡相同。 當兩個不同材料的金屬節點之間由于熱效應發生自由電子移動時，兩種不同的金屬產生自由電子密度不同，產生的湯姆森電動勢也不同，這種現象叫作珀耳帖效應。 （3）二極管式功率計 二極管功率計的基本原理：二極管通過整流特性將AC信號轉化為DC信號。普通的硅P-N結二極管就可以作為高頻信號檢波器，但是充放電效應限制了P-N結的帶寬。肖特基二極管在節點處沒有充放電效應，在校信號時呈現高阻特性。
三、功率計主要指標 微波功率計的主要技術指標功率計的主要技術指標包括:頻率范圍、功率測量范圍、參考校準源功率準確度、功率傳感器線性度、功率傳感器阻抗特性。 （1）頻率范圍 頻率范圍指的是能滿足功率計各項技術指標要求，保證功率計可靠工作的輸入信號的頻率范圍。無論是熱敏功率計、熱偶功率計或二極管功率計，功率測量功能主要依靠功率傳感器熱效應或二極管檢波完成，功率計部分的主要作用是放大、測量功率傳感器檢測后的輸出信號，因此該指標主要取決于功率傳感器。例如某型號功率傳感器，廠家給定的頻率范圍是10MHz~ 18GHz,表示該功率傳感器只能測量頻率范圍在10MHz~ 18GHz內的微波信號的功率，如果被測信號的頻率超出該頻率范圍，那么功率計測量結果的準確性無法得到保證，測量結果無效。 （2）功率測量范圍 功率測量范圍是功率計所能準確測量的最小功率到最大功率的范圍。其下限主要取決于功率傳感器的靈敏度，上限是功率傳感器的損壞電平功率。如果被測信號的功率小于或接近傳感器測量的下限，那么功率傳感器本身的噪聲電平會對測量結果產生很大的影響;如果被測信號的功率大于傳感器測量的上限，那么測量結果會產生非線性失真，更嚴重的情況可能會損壞功率傳感器。 （3）參考校準源 參考校準源是功率計內部輸出lmW的高精度功率源。功率計每次進行功率測量之前，需要對功率傳感器進行清零和自校操作，自校的過程是將功率傳感器連接到功率計的參考校準源，然后功率計內部進行調整和補償，使得功率傳感器測量結果為ImW。因此參考校準源的準確度比功率傳感器要高，通常需要使用量熱式功率計校準參考校準源的準確度。 （4）功率測量線性度 在熱偶功率傳感器中，熱電偶元件既是吸收高頻功率的負載，又是熱電轉換元件。由于熱電偶的非線性，使功率靈敏度隨著功率電平的變化而發生變化。在某功率電平下 校準的功率靈敏度具有一個特定的值。這樣在不同的功率電平上測量時，將引入一項非線性誤差。對鉍一銻薄膜型熱電偶座，當功率變化10dB時，功率靈敏度將變化5%左右，這就給熱電偶的校準和使用帶來了非線性誤差。為了減小或消除非線性誤差，需要增加相應于功率電平的修正系數。 在二極管功率傳感器中，其功率測量區分為:平方律區、過渡區和線性區3部分。每個區域輸出電壓和輸入電壓的轉換關系不同，當二極管的檢波特性開始偏離平方律時，輸出電壓與輸入電壓不再成正比，會產生線性誤差。 （5）功率傳感器的阻抗特性 功率傳感器的阻抗特性可用反射系數、回波損耗或電壓駐波比(VSWR)來表征。反射系數、回波損耗和電壓駐波比。 傳感器的設計和制造過程中，總是盡可能減少電壓駐波比的影響，最大限度的減少功率傳感器反射造成的功率測量的不確定度。 四、校準信號發生器輸出功率典型應用 信號發生器的實際輸出功率總會隨著時間、頻率有微小的變化，要使到達被測設備的功率盡可能的精確，就需要實時對輸出功率進行監控和調節，傳統的功率傳感器無法單獨完成這樣的任務，必須外接功分器實現。 這種方法可以在調節信號源輸出功率的同時，監控到達被測設備的輸入功率，但是由于外接功分器的駐波特性的不理想，對信號源輸出信號的不確定度有影響。為了解決該問題，R&S公司專門推出了NRP-Z28 (頻率范圍10MHz~ 18GHz)、NRP-Z98 (頻率范圍9kHz 6GHz)系列電平控制傳感器，包括了一個低反射系數的功分器和一個多通道的二極管功率傳感器，探頭結構及其工作原理如圖下圖所示。
如果在NRP-Z28/Z98功率傳感器與被測設備之間還存在轉接頭、衰減器或其他連接電纜等二端口網絡，還可以用去嵌入方式實現S參數修正，其修正原理如圖6-27所示，該二端口網絡的4個S參數可以用矢量網絡分析儀測量得到一一個S2P文件來描述，再通過USB接口把S2P文件下載到探頭中，完成測試結果的S參數修正。
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