微波信号功率的测量.ppt

1、第七章 微波信号功率的测量,主要内容： 功率测量的基础知识 微波功率计的测量原理 微波功率测量的误差分析,7.1 功率测量概述,主要内容： 功率的定义和单位 功率方程 微波功率测量的一般电路,一、功率的基本定义:,1.平均功率：信号在一个周期内能量变化的平均速率。瞬时信号的平均功率由下式给出：,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。,Average Power,time,Average over several modulation cycles,Average over many pulse repetitions,如果被测信号的电压和电流是连续的正弦波（C

2、W），那么其平均功率的表达式为： P=VIcos 式中，P为平均功率；V为电压的均方值；I为电流的均方值；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为一个纯电阻负载，所以上述公式变为： P=V2/R 或 P=I2R,1.平均功率：,另外，也可将功率传感器设计成“均方值”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给出如下响应： P=(V12+V22+Vn2)/R 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的调制边带、谐波或其他一些频率分量。,1.平均功率：,2.脉冲功率 在脉冲持续时间内取平均功率，其表达式：

3、 3.峰值功率： 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。 峰值功率PPP可直接测量，或根据平均功率Pav、占空系数Q和脉冲波形系数K用下式计算确定： Ppp=PavT/,Types of Power Measurements,Average Power Pulse Power Peak Envelope Power,CW RF signal,Pulsed RF signal,Gaussian pulse signal,一个更为方便的单位是dBm 它是相对于1mW，以dB为单位的功率级。因此0dBm是1mW。 例如+36dBm是多少？让我们由0dBm开始，我们已经知道它是

4、1mW。+30dBm将是1 mW*10 *10*10，即1W。+6dBm是1 W*2*2，因此最后结果是4W。 -23dBm是多少？使用同样方法从1mW开始， -20dBm是10W。-3dBm 将减半，因此最后结果是5W,二、功率的单位：瓦,我们通常在SI单位制中规定功率单位为W。这是一种绝对测量。有时以比率说明功率更为方便。特别是涉及比较2个功率级的增益或损耗时。这是用分贝（dB）表示的相对功率概念。 用分贝单位表示增益或损耗有二个优点 它是容易表示大数（或小数）的计数法。此外，几级级联网的总效应可以用相加dB单位的简单方法代替线性值相乘。,二、功率的单位：瓦,在功率测量中，功率常常被定义为

5、一种在系统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量被测信号功率。,三、微波功率测量的一般电路,终端式(吸收式）功率计的结构图,通过式功率计的结构图,四.功率方程 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传输关系。,bg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 a为：,入射波功率Pin为：,同理，负载反射的功率Pr为：,因此，信号源传输到任意负载上的净功率为：,当 L=g*时（共轭匹配），此时信号源传

6、输到负载上的功率最大，,PA称为资用功率，它表明信号源可能输出的最大功率。,上式即为功率关系式。,7.2 微波功率计测量原理 7.2.1 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功率或电压、电流的大小而变化的效应，可构成功率计。 基本原理：测辐射热式功率计主要由指示器(一般为电桥)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，可以检测出电阻的变化，从而可确定它所吸收的功率。,7.2.1 测辐射热式功率计,E,Prf,V,一. 测热电阻元件1.镇流电阻,2. 热敏电阻,3.薄膜电阻,电

7、桥法测量微波小功率原理 平衡式电桥 平衡式电桥的基本电路如图所示：,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Pin应等于先后两次平衡时Rb所吸收的直流功率之差，即,因为两次平衡时Rb均等于R，于是,2. 自平衡电桥,3. 直流温度补偿双自平衡电桥原理,7.2.2 热电偶式功率计,两个优点：1）高灵敏度；2）平方律的特性,The principles behind the thermocouple,V0,席贝克效应（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。,铋一锑薄膜式热

8、偶,热电偶,7.2.3 微波晶体二极管式功率计 晶体管检波的原理 一般金属半导体结二极管的伏安特性为,其中Is为反响饱和电流；q为电子电荷；k为波尔兹曼常数；T为热力学温度。,watts,改进的功率传感器,更宽的动态范围,7.2.4量热计法测量微波小功率 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、最古老的方法。 工作方式：静止式 媒质是固体，液体或气体 流动式 媒质是水或油 功率传感元件：干负载 小、中、大功率测量 流体负载 中、大功率测量,由热力学原理，该系统的热平衡方程为：,设C1C2，则两者之间的温差为：,式中=C1/G，热时间常数；s=P/G，稳态温差。 可

9、见，=s（t）P。,7.3微波大、中功率测量 扩展小功率计量程法 （1）衰减器法,假定系统处于匹配状态，即s=L=g=0，A准确已知，则,（2）定向耦合器法,2.流体量热计法,一、测量射频脉冲重复周期内的平均功率法 设脉冲为矩形，宽度为，重复周期为T（=1/f）。用连续波功率计测出脉冲的平均功率Pav，有 Pav=Ppp/T Ppp=PavT/=PavQ 式中，Q=T/=1/(f)；Q-1是射频脉冲的占空系数。,当脉冲为非理想矩形时， Ppp=KQPav,7.4 微波脉冲功率测量,Ppp=PavQ10 C/10,二. 峰值检波法,7.4 微波功率测量的失配误差分析,Sources of Power Measurement Uncertainty,Sensor and source mismatch errors Power sensor errors Power meter errors,功率计的操作,（1） 由于一种功率计主机要配多种功率探头，因此在开机后要选择探头型号，但有的功率计不需要，其主机可自动识别。 （2） 为了消除功率计的漂移，功率计都要进行调零操作，老式的功率计调零需要手动，确保探头没有输入的情况下，把量程打在最低档，调节调零电位器。而现代功率计的这一过程完全由软件来控