微波信号功率测量

1、微波信号功率测量 第七章第七章 微波信号功率的测量微波信号功率的测量 主要内容：主要内容： n功率测量的基础知识功率测量的基础知识 n微波功率计的测量原理微波功率计的测量原理 n微波功率测量的误差分析微波功率测量的误差分析 微波信号功率测量 7.1 7.1 功率测量概述功率测量概述 主要内容：主要内容： n功率的定义和单位功率的定义和单位 n功率方程功率方程 n微波功率测量的一般电路微波功率测量的一般电路 微波信号功率测量 一、功率的基本定义一、功率的基本定义: : 微波信号功率测量 1.1.平均功率：信号在一个周期内能量变化的平平均功率：信号在一个周期内能量变化的平 均速率。瞬时信号的平均功

2、率由下式给出：均速率。瞬时信号的平均功率由下式给出： T dttp T P 0 )( 1 通常功率定义为在所包含最低频率的多个周通常功率定义为在所包含最低频率的多个周 期上，单位时间所传输能量的平均值。期上，单位时间所传输能量的平均值。 nT av dttp nT P 0 )( 1 微波信号功率测量 Average Power time Average over several modulation cycles Average over many pulse repetitions 微波信号功率测量 如果被测信号的电压和电流是连续的正弦波如果被测信号的电压和电流是连续的正弦波 （CWCW），

3、那么其平均功率的表达式为：），那么其平均功率的表达式为： P=VP=VI Icoscos 式中，式中，P P为平均功率；为平均功率；V V为电压的均方值；为电压的均方值；I I为电流的为电流的 均方值；均方值；为电压与电流的相位差。为电压与电流的相位差。 在实际测量中，用于接受功率的功率传感器表现在实际测量中，用于接受功率的功率传感器表现 为一个纯电阻负载，所以上述公式变为：为一个纯电阻负载，所以上述公式变为： P=VP=V2 2/R /R 或或 P=IP=I2 2R R 1.1.平均功率：平均功率： 微波信号功率测量 另外，也可将功率传感器设计成另外，也可将功率传感器设计成“均方值均方值”

4、响应传感器。如果一个被测信号包含有很多响应传感器。如果一个被测信号包含有很多 频谱分量，那么该传感器将对所有频谱分量频谱分量，那么该传感器将对所有频谱分量 给出如下响应：给出如下响应： P=(VP=(V1 12 2+V+V2 22 2+ +V+Vn n2 2)/R)/R 该式表明响应的总功率是多个正弦信号该式表明响应的总功率是多个正弦信号 功率分量之和，这些谱分量可能是某种信号功率分量之和，这些谱分量可能是某种信号 的调制边带、谐波或其他一些频率分量。的调制边带、谐波或其他一些频率分量。 1.1.平均功率：平均功率： 微波信号功率测量 2.2.脉冲功率脉冲功率 在脉冲持续时间内取平均功率，其表

5、达式：在脉冲持续时间内取平均功率，其表达式： 3.3.峰值功率：峰值功率： 指在载频周期内，占有脉冲功率包络线最大值指在载频周期内，占有脉冲功率包络线最大值 处的微波功率的平均值。处的微波功率的平均值。 峰值功率峰值功率P PPP PP可直接测量，或根据平均功率 可直接测量，或根据平均功率PavPav、 占空系数占空系数Q Q和脉冲波形系数和脉冲波形系数K K用下式计算确定：用下式计算确定： n P Ppp pp=PavT/ =PavT/ 0 1 ( ) P Pp t dt 2 / PPP PVR 微波信号功率测量 Types of Power Measurements lAverage Po

6、wer lPulse Power lPeak Envelope Power CW RF signal Pulsed RF signal Gaussian pulse signal 微波信号功率测量 n一个更为方便的单位是一个更为方便的单位是dBm dBm 它是相对于它是相对于 1mW1mW，以，以dBdB为单位的功率级。因此为单位的功率级。因此0dBm0dBm是是1mW1mW。 n例如例如+36dBm+36dBm是多少？让我们由是多少？让我们由0dBm0dBm开始，我开始，我 们已经知道它是们已经知道它是1mW1mW。+30dBm+30dBm将是将是1 mW1 mW* *10 10 * *10

7、10* *1010，即，即1W1W。+6dBm+6dBm是是1 W1 W* *2 2* *2 2，因此最后，因此最后 结果是结果是4W4W。 n-23dBm-23dBm是多少？使用同样方法从是多少？使用同样方法从1mW1mW开始，开始， -20dBm-20dBm是是10W10W。-3dBm -3dBm 将减半，因此最后结将减半，因此最后结 果是果是5W5W 二、功率的单位：瓦二、功率的单位：瓦 微波信号功率测量 n我们通常在我们通常在SISI单位制中规定功率单位为单位制中规定功率单位为W W。这是一种。这是一种 绝对测量。有时以比率说明功率更为方便。特别是绝对测量。有时以比率说明功率更为方便。

8、特别是 涉及比较涉及比较2 2个功率级的增益或损耗时。这是用分贝个功率级的增益或损耗时。这是用分贝 （dBdB）表示的相对功率概念。）表示的相对功率概念。 n用分贝单位表示增益或损耗有二个优点用分贝单位表示增益或损耗有二个优点 它是容它是容 易表示大数（或小数）的计数法。此外，几级级联易表示大数（或小数）的计数法。此外，几级级联 网的总效应可以用相加网的总效应可以用相加dBdB单位的简单方法代替线性单位的简单方法代替线性 值相乘。值相乘。 二、功率的单位：瓦二、功率的单位：瓦 微波信号功率测量 在功率测量中，功率常常被定义为一种在系统在功率测量中，功率常常被定义为一种在系统 或系统元件之间传递

9、的能量之比。两种主要的功率或系统元件之间传递的能量之比。两种主要的功率 测量类型：一种是传送功率测量，即功率计或测量测量类型：一种是传送功率测量，即功率计或测量 技术用于确定从信号源到负载的传送功率；另一种技术用于确定从信号源到负载的传送功率；另一种 是接受功率测量即功率计或测量技术用于接收并测是接受功率测量即功率计或测量技术用于接收并测 量被测信号功率。量被测信号功率。 三、微波功率测量的一般电路三、微波功率测量的一般电路 微波信号功率测量 接收变换器测量装置读数装置 P 接收变换器测量装置读数装置 P 至负载 终端式终端式(吸收式）功率计的结构图吸收式）功率计的结构图 通过式功率计的结构图

10、通过式功率计的结构图 微波信号功率测量 四四. .功率方程功率方程 功率方程是功率测量线路中正确分析待测功率功率方程是功率测量线路中正确分析待测功率 值的基础。如图表示了信号源和负载之间的功率值的基础。如图表示了信号源和负载之间的功率 传输关系。传输关系。 信号源负载 g L b a cg cg g ZZ ZZ bg 微波信号功率测量 b bg g代表信号源能向无反射负载提供的代表信号源能向无反射负载提供的 信号波幅；入射到负载的入射波信号波幅；入射到负载的入射波 a a为：为： Lg g b a 1 入射波功率入射波功率P Pin in为： 为： 22 2 2 11 Lg o Lg g in

11、 P b aP 微波信号功率测量 同理，负载反射的功率同理，负载反射的功率P Pr r为：为： 222 Lr abP 因此，信号源传输到任意负载上的净功率为：因此，信号源传输到任意负载上的净功率为： 2 2 1 1 Lg L oriL PPPP 微波信号功率测量 当当 L L=g g* *时（共轭匹配），此时信号源时（共轭匹配），此时信号源 传输到负载上的功率最大，传输到负载上的功率最大， 22 * 2 11 1 g o gg g oA P PP P PA A称为资用功率，它表明信号源可能输出的最大称为资用功率，它表明信号源可能输出的最大 功率。功率。 2 2 2 1 11 Lg Lg AL

12、PP 上式即为功率关系式。上式即为功率关系式。 微波信号功率测量 7.2 微波功率计测量原理微波功率计测量原理 7.2.1 7.2.1 测辐射热式功率计测辐射热式功率计 利用某些温度敏感元件的电阻随所加的高频利用某些温度敏感元件的电阻随所加的高频 功率或电压、电流的大小而变化的效应，可构成功率或电压、电流的大小而变化的效应，可构成 功率计。功率计。 基本原理：测辐射热式功率计主要由指示器基本原理：测辐射热式功率计主要由指示器 ( (一般为电桥一般为电桥) )和测辐射热器传感器组成。测辐射和测辐射热器传感器组成。测辐射 热器传感器是对温度极其敏感的电阻器件。当它热器传感器是对温度极其敏感的电阻器

13、件。当它 吸收功率以后，温度便会升高，随之它的电阻也吸收功率以后，温度便会升高，随之它的电阻也 发生相应变化，使用电桥电路，可以检测出电阻发生相应变化，使用电桥电路，可以检测出电阻 的变化，从而可确定它所吸收的功率。的变化，从而可确定它所吸收的功率。 微波信号功率测量 7.2.1 7.2.1 测辐射热式功率计测辐射热式功率计 )( 4 1 2 2 2 121 IIRPPP brf E Prf V 微波信号功率测量 一一. . 测热电阻元件测热电阻元件 1.1.镇流电阻镇流电阻 微波信号功率测量 2. 2. 热敏电阻热敏电阻 微波信号功率测量 3.3.薄膜电阻薄膜电阻 微波信号功率测量 电桥法测

14、量微波小功率原理电桥法测量微波小功率原理 平衡式电桥平衡式电桥 平衡式电桥的基本电路如图所示：平衡式电桥的基本电路如图所示： 微波信号功率测量 假设高频功率与直流（或低频）功率对测热假设高频功率与直流（或低频）功率对测热 电阻有同样发热效果，则被测功率电阻有同样发热效果，则被测功率P Pin in应等于先后 应等于先后 两次平衡时两次平衡时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 2 2 2 1 2 1 22 bbin R I R I P 因为两次平衡时因为两次平衡时R Rb b均等于均等于R R，于是，于是 R VV II R Pin 44 2 2 2 1 2 2 2 1

15、 微波信号功率测量 2. 自平衡电桥自平衡电桥 微波信号功率测量 3. 3. 直流温度补偿双自平衡电桥原理直流温度补偿双自平衡电桥原理 微波信号功率测量 7.2.2 7.2.2 热电偶式功率计热电偶式功率计 n两个优点：两个优点：1 1）高灵敏度；）高灵敏度；2 2）平方律的特性）平方律的特性 微波信号功率测量 lThe principles behind the thermocouple Vh Hot junction Metal 1 Metal 2 -+ V1 -+ V2 - + 12h V = V + V - V 0 V0 微波信号功率测量 席贝克效应（或热电效应）：当两种不同金属席贝克

16、效应（或热电效应）：当两种不同金属 的节点的温度被加热到高于其余两个自由端的温度的节点的温度被加热到高于其余两个自由端的温度 时，在两个自由端之间便会出现直流电势，其大小时，在两个自由端之间便会出现直流电势，其大小 与冷热端的温差成正比。与冷热端的温差成正比。 微波信号功率测量 铋一锑薄膜式热偶铋一锑薄膜式热偶 微波信号功率测量 热电偶热电偶 微波信号功率测量 7.2.3 7.2.3 微波晶体二极管式功率计微波晶体二极管式功率计 晶体管检波的原理晶体管检波的原理 一般金属一般金属半导体结二极管的伏安特性为半导体结二极管的伏安特性为 11 v s kT qv s eIeIi 其中其中I Is s

17、为反响饱和电流；为反响饱和电流；q q为电子电荷；为电子电荷；k k为波尔兹为波尔兹 曼常数；曼常数；T T为热力学温度。为热力学温度。 微波信号功率测量 VsCb Rmatching Rs Vo + - watts Square Law Region of Diode Sensor 0.01 mW -70 dBm V O(log) Linear Region 0.1 nW -20 dBm V o P IN P IN 微波信号功率测量 微波信号功率测量 改进的功率传感器改进的功率传感器 更宽的动态范围更宽的动态范围 微波信号功率测量 7.2.47.2.4量热计法测量微波小功率量热计法测量微波小

18、功率 借测量微波功率在负载中消耗时所产生的借测量微波功率在负载中消耗时所产生的 热量来测量微波功率，是一种最基本、最古老热量来测量微波功率，是一种最基本、最古老 的方法。的方法。 工作方式：静止式工作方式：静止式 媒质是固体，液体或气体媒质是固体，液体或气体 流动式流动式 媒质是水或油媒质是水或油 功率传感元件：干负载功率传感元件：干负载 小、中、大功率测量小、中、大功率测量 流体负载流体负载 中、大功率测量中、大功率测量 微波信号功率测量 由热力学原理，该系统的热平衡方程为由热力学原理，该系统的热平衡方程为： C11 P G C2,2 12 2 2 21 1 1 0 G dt d C G dt d CP 设设C C1 1CC2 2，则两者之间的温差，则两者之间的温差为：为： / 21 11 t s t ee G P 微波信号功率测量 式中式中=C=C1 1/G/G，热时间常数；，热时间常数；s s=P/G=P/G，稳态温差。，稳态温差。 可见，可见，=s s（tt）PP。 微波信号功率测量 7.37.3微波大、中功率测量微波大、中功率测量 扩展小功率计量程法扩展小功率计量程法 （1 1）衰减器法）衰减器法 信号源衰减器功率座指示器 PAPLPs A L g s 假定系统处于匹配状态，即假定系统处于匹配状态，即s s=L L=g g=0=0，A A准确准确 已知，则已知，则 1