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信号的天平——功率计

作者:广州市明测电子仪器有限公司 浏览: 发表时间:2021-04-03 16:24:41

功率计是测量电功率的仪器。搞射频微波的各位亲们相比不陌生,功率计基本上也是和信号源、频谱仪、网络分析仪并行的几个大件之一,当然没有前面几个大哥那么昂贵。


功率计由功率传感器(Power Sensor)和功率指示器(Power Meter)两部分组成。功率传感器也称功率计探头,它把高频电信号通过能量转换为可以直接检测的电信号。功率指示器包括信号放大、变换和显示器。显示器直接显示功率值。功率传感器和功率指示器之间用电缆连接。为了适应不同频率、不同功率电平和不同传输线结构的需要,一台功率计要配若干个不同功能的功率计探头。


图1  功率测量仪器的组成


功率计分类

一、按照连接方式分类

射频或微波功率计按照在测试系统中的连接方式不同,又可分为:终端式和通过式两种。


终端式功率计把功率计探头作为测试系统的终端负载,功率计吸收全部待测功率,由功率指示器直接读取功率值。由于需要吸收全部入射功率,终端式功率计常用于测试小信号。


终端式功率计有如下特点:

(1)在常见的射频和微波功率测量仪器中,终端式功率计的幅度测量精度是最高的,超越了频谱仪或者信号分析仪,典型测量精度可以达到±1.6%.

(2)不能测量大功率。通常上限为+20dBm,下限为-60dBm左右。

(3)可以测量各种调制信号的平均功率、峰值功率、突发功率等。


通过式功率计,它是利用某种耦合装置,如定向耦合器、耦合环、探针等从传输的功率中按一定的比例耦合出一部分功率,送入功率计度量,传输的总功率等于功率计指示值乘以比例系数。通过式功率计的业内先驱是Bird,射频微波的老人应该都知道。下图就是典型的通过式功率计的原理框图:



图2. 通过式功率计的原理框图


通过式功率计的主要特点;

(1)通过式功率计具有大功率测量能力。理论上来说,只要传输线可以通过的功率,通过式功率计都可以测量。所以广电上动辄上千瓦的功率,都是由通过式功率计来测量的。


(2)通过式功率计很难做到宽带,这是由于里面的定向耦合器的限制。


(3)由于定向耦合器的耦合度存在,通过式功率计不能用于太小的功率测量。这个和终端式功率计正好各有所长。

 

二、按照灵敏度和测量范围分类


射频或微波功率计按灵敏度和测量范围分类,可以分为测热电阻型功率计、热电偶型功率计、量热式功率计、晶体检波式功率计。


测热电阻型功率计使用热变电阻做功率传感元件。热变电阻值的温度系数较大。被测信号的功率被热变电阻吸收后产生热量,使其自身温度升高,电阻值发生显著变化,利用电阻电桥测量电阻值的变化,显示功率值。


热电偶型功率计热电偶型功率计中的热偶结直接吸收高频信号功率,结点温度升高,产生温差电势,电势的大小正比于吸收的高频功率值。这种功率计的测量精度比较高,一般用于比较精确的功率测量。



图3  热电偶功率计原理简图


量热式功率计典型的热效应功率计,利用隔热负载吸收高频信号功率,使负载的温度升高,再利用热电偶元件测量负载的温度变化量,根据产生的热量计算高频功率值。这个基本上我们实验室里面就见得不多了,多用于校准级的功率基准测试。


晶体检波式功率计晶体二极管检波器将高频信号变换为低频或直流电信号。适当选择工作点,使检波器输出信号的幅度正比于高频信号的功率。晶体管检波式功率计由于测量速度快、精度适中等特点,一直在射频微波的测量中广为使用。


三、按照被测信号的不同分类


射频或微波功率计按被测信号分类:连续波功率计和脉冲峰值功率计。


图4  峰值功率计原理简图


功率计技术指标

以下是射频功率计的典型技术指标:

a) 功率范围

保证测量精度的可测功率最大值和最小值范围。功率计的功率范围决定于功率探头。


b) 最大允许功率

探头不被损坏的最大输入功率值,通常指平均功率。在测量大功率峰值信号时,注意峰值电压不能超过一定值,否则造成电压击穿。使用功率计时绝对不能测量大于允许功率值的信号,否则会造成功率探头烧毁。


c) 频率范围

能保证测量精度和性能指标的被测信号的频率范围。


d) 测量精度

指功率探头校准修正后的精度。不包括测试系统的失配误差。


e) 稳定性

功率计的稳定性取决于功率探头的稳定性和指示器的零漂及噪声干扰。


f) 响应时间

也称功率传感元件的时间常数。通常指功率指示器上升到稳定值的64%所需的时间。


g) 探头的型号、阻抗

选用功率计探头时,功率探头的使用频率、功率范围必须与被测信号一致,探头传输线的结构和阻抗应与被测传输线相互匹配。


比如一个典型的功率计的技术参数可能如下:

频率范围 :9KHz~110GHz(取决于传感器)

功率范围 :-70~+44dBm

绝对精度: (对数)±0.02dB ;(线性)±0.5%

相对精度: (对数)±0.04dB ; (线性)±1.0%

对数方式:1.0 ;0.1 ;0.01 和 0.001 dB (默认设置:0.01 dB)

线性方式:1~4位数 (默认设置:3位数)

SWR: 1.06(最大值)

 

作为信号强度的天平,功率计在射频微波测量中具有非常重要的作用。现在亲们基本明白了功率计的原理了吧。

Posted in 仪器仪表.


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