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淺析：射頻功率計原理、分類、指標(biāo)及應(yīng)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(dāng)信號的頻率高于幾十兆赫甚至上百吉赫時，工作波長已經(jīng)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(tǒng)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(shù)。 測量微波功率最常用的是“測熱”的方法，即把微波功率轉(zhuǎn)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(yīng)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(dǎo)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(shù)表示，最常見的對數(shù)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(shù)的形式: PdBm=10lg(P/Prer) 使用對數(shù)表示相對功率有兩個優(yōu)點: （1）相對功率較大時使用對數(shù)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(shù)表示在級聯(lián)系統(tǒng)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(guān)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(dāng)它吸收功率時，其電阻值將發(fā)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(jié)點處于不同的溫度，便有熱電勢產(chǎn)生，且熱電勢與兩個節(jié)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(dāng)兩個不同材料的金屬節(jié)點之間由于熱效應(yīng)發(fā)生自由電子移動時，兩種不同的金屬產(chǎn)生自由電子密度不同，產(chǎn)生的湯姆森電動勢也不同，這種現(xiàn)象叫作珀耳帖效應(yīng)。 （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(zhuǎn)化為DC信號。普通的硅P-N結(jié)二極管就可以作為高頻信號檢波器，但是充放電效應(yīng)限制了P-N結(jié)的帶寬。肖特基二極管在節(jié)點處沒有充放電效應(yīng)，在校信號時呈現(xiàn)高阻特性。
三、功率計主要指標(biāo) 微波功率計的主要技術(shù)指標(biāo)功率計的主要技術(shù)指標(biāo)包括:頻率范圍、功率測量范圍、參考校準(zhǔn)源功率準(zhǔn)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(shù)指標(biāo)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(yīng)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(biāo)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(nèi)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(jié)果的準(zhǔn)確性無法得到保證，測量結(jié)果無效。 （2）功率測量范圍 功率測量范圍是功率計所能準(zhǔn)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(jié)果產(chǎn)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(jié)果會產(chǎn)生非線性失真，更嚴(yán)重的情況可能會損壞功率傳感器。 （3）參考校準(zhǔn)源 參考校準(zhǔn)源是功率計內(nèi)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(zhǔn)源，然后功率計內(nèi)部進行調(diào)整和補償，使得功率傳感器測量結(jié)果為ImW。因此參考校準(zhǔn)源的準(zhǔn)確度比功率傳感器要高，通常需要使用量熱式功率計校準(zhǔn)參考校準(zhǔn)源的準(zhǔn)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(fù)載，又是熱電轉(zhuǎn)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(fā)生變化。在某功率電平下 校準(zhǔn)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(dāng)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(zhǔn)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(yīng)于功率電平的修正系數(shù)。 在二極管功率傳感器中，其功率測量區(qū)分為:平方律區(qū)、過渡區(qū)和線性區(qū)3部分。每個區(qū)域輸出電壓和輸入電壓的轉(zhuǎn)換關(guān)系不同，當(dāng)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(chǎn)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(shù)、回波損耗或電壓駐波比(VSWR)來表征。反射系數(shù)、回波損耗和電壓駐波比。 傳感器的設(shè)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(zhǔn)信號發(fā)生器輸出功率典型應(yīng)用 信號發(fā)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(shè)備的功率盡可能的精確，就需要實時對輸出功率進行監(jiān)控和調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)的功率傳感器無法單獨完成這樣的任務(wù)，必須外接功分器實現(xiàn)。 這種方法可以在調(diào)節(jié)信號源輸出功率的同時，監(jiān)控到達被測設(shè)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(shù)的功分器和一個多通道的二極管功率傳感器，探頭結(jié)構(gòu)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(shè)備之間還存在轉(zhuǎn)接頭、衰減器或其他連接電纜等二端口網(wǎng)絡(luò)，還可以用去嵌入方式實現(xiàn)S參數(shù)修正，其修正原理如圖6-27所示，該二端口網(wǎng)絡(luò)的4個S參數(shù)可以用矢量網(wǎng)絡(luò)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(jié)果的S參數(shù)修正。
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