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    日期:2018-06-05 點擊::797 次

    熱電偶法

    熱電偶是由兩種小同的金屬材料組成的。如果把熱電偶的熱節點置于微波電磁場中,使之直接吸收微波功率,熱節點的溫度便上升,并由熱電偶檢測出溫度差,該溫差熱電勢便可作為微波功率的量度。用這種原理設計成的功率計稱為熱電偶式功率計。又因功率測量中熱電偶是做成薄膜形式的,故又叫薄膜熱電偶式功率計。

    熱電偶式功率計由兩部分組成:一個用于能量轉換的薄膜熱電偶座,它將微波能量轉化為電動勢,另一個是高靈敏度的直流放大器,用來檢測熱電動勢。早期的薄膜熱電偶式功率計的熱電偶是用鉍、銻金屬薄膜制成的,這種熱電偶的結構示意圖如圖2-8所示。圖中所示的結構用于同軸功率座。熱電偶的節點al和a2置于同軸傳輸線的高頻電磁場,節點b2,b1,b3分別置于同軸線的內、外導體上,它的溫度保持不變。當微波功率未輸入時,熱電堆節點之間沒有溫差,因而沒有輸出。當微波功率輸入時,通過媒質基體的電容耦合,傳輸到鉍-銻薄膜元件,由帕爾帖效應,在a1,a2節點的溫度升高,這就與節點bl,b2,b3產生溫差,由溫差形成熱電勢,即貝克塞效應。由于這里的熱電堆是串聯的,因此,總電勢等于每對的和。由于熱電偶元件可以制成極薄的片狀,因此功率靈敏度較高,動態范圍也很寬。

    功率指示器是一個高靈敏度的直流放大器,圖2-9所示為其原理圖。熱電偶產生的熱電勢經斬波器轉換成交流電壓,前置放大器提供了大約60dB的增益。交流信號放大后進入解調器。解調后的輸出信號與功率座吸收的微波功率成正比。為了便于修正功率指示器讀數,儀器的讀數設有“校準系數開關”,改變其位置,就可以使直流放大器的增益隨之變化,從而使指示器得到修正。

    薄膜熱電偶式功率計具有響應速度快,靈敏度高、動態范罔寬、噪聲低和零點漂移小等突出優點,適用于多種場合下的功率測量。它的缺點是過載能力差。此外,由于它的寄牛電抗大,要使這種同軸功率座工作到18GHz以上是很困難的。1973年出現了半導體薄膜熱電偶式功率計,它的工作原理同傳統的鉍一銻薄膜熱電偶式功率計相同,但在熱偶材料和功率座的結構上做了大的改進。它是在一個0.76mm平方大小的硅片上集成了兩個熱電偶。每個熱電偶的電阻為100Ω,它們對高頻是并聯的而對直流是串聯的。

    為了使0.76mm平方人小的集成式雙熱電偶芯片與同軸傳輸線的阻抗相匹配,用共面傳輸線將它與同軸線相連接,共面線通過一段漸變線過渡與熱電偶相接。這種結構保證了熱電偶與同軸線之間的良好阻抗匹配,從而使功率座的駐波比在0.01~18GHz頻率范圍內小于1.4。為了不使熱電偶輸出的微弱信號受到干擾,直流放大器的斬波器和前置放大器置于功率座內,然后用電纜與放大器連接。這種功率指示器實現了數字化讀數和自動化操作,不僅能通過指示器面板上的鍵盤實現人機對話式操作,還具有信息存儲和數據處理能力,從而能夠采取某些措施消除和修正誤差,提高了測量準確度。

    熱敏電阻法

    熱敏電阻是一種具有負溫度系數的電阻元件,當它的溫度升高時,電阻值就變小。由于它對溫度非常敏感,因此被廣泛的用于微瓦和毫瓦級的功率測量中。熱敏電阻大都為珠形,其直徑約為0.05~0.5mm,但也有桿形的。早期使用的熱敏電阻元件大多用玻璃殼封裝。然而,由于玻璃介質的存在,增加了元件的微波損耗。近年來使用的熱敏電阻元件為無外殼結構,因而減少了微波損耗。

    (1)熱敏電阻功率座

    熱敏電阻功率座是由熱敏電阻元件和座體組成。熱敏電阻功率座有波導座和同軸座兩種形式。在同軸熱敏電阻功率座中使用的熱敏電阻元件是雙元件結構:兩個熱敏電阻串聯連接,中心電極與同軸線的內導體相接,兩個外電極經過隔直電容器與同軸線的外導體連接,每個熱敏電阻的工作阻值為100Ω。這樣它們的阻抗對直流偏置功率是串聯的,而對微波功率是并聯的,呈現50Ω的阻抗,正好與同軸線的特性阻抗匹配。

    波導熱敏電阻座的工作帶寬能覆蓋波導的額定頻段。例如,3cm波導熱敏電阻座能工作在8.2~12.4GHz頻率范圍;8mm波導熱敏電阻座能工作在26.5~40GHz頻率范圍。隨著微波寬帶測量技術的發展,波導熱敏電阻座的應用受到倍頻程的限制,已不適應寬頻帶測量技術的要求,逐漸被具有寬頻帶特性的同軸熱敏電阻座所代替。由于同軸熱敏電阻座能跨越幾個倍頻程,因此已被廣泛地應用于微波功率測量。目前,具有雙熱敏電阻元件的同軸熱敏電阻座的工作頻率已達到18GHz。有的熱敏電阻座除了同軸傳輸線末端的腔體內有一對熱敏電阻外,在腔體外部,另有一對熱敏電阻(副熱敏電阻對),以補償環境溫度變化對檢測熱敏電阻的影響,這樣在功率測量過程中可以減少環境溫度變化的影響。

    (2)功率指示器

    用熱敏電阻測量功率時,最常用的是惠斯通電橋電路作為測量和指示裝置,如圖2.7所示。即把功率座中的熱敏電阻作為電橋的一個臂,利用熱敏電阻吸收微波功率后阻值的變化來測量微波功率。電橋電路多為直流電源供電,有時也利用低頻電源供電。

    按測量方法分,有如下幾種電橋:不平衡電橋、平衡電橋(需要兩次讀數來計算被測功率值)、自動平衡電橋、自動平衡雙電橋等。后者已成為功率測量電橋的主要型式。隨著微波功率測量技術的發展,早期使用的電橋,如手動平衡電橋等,由于它們的測量準確度低、性能不穩定、使用不方便等缺點,已被淘汰?,F在廣泛使用的是溫度補償式雙熱敏電阻自動平衡電橋。這種新型電橋大大降低環境溫度變化所帶來的影響,而且又能直接讀數。因而它己成為目前主要使用的功率測量的指示器。這類電橋測量功率的量程為luW~10mW,測量誤差限為0.5%~1.0%。它與熱敏電阻配合使用,可測量頻率高達40GHz的微波功率。

    量熱計法

    量熱計法是將電磁能量轉換成熱能來測量。變換器是感應、吸收電磁能量的負載,稱為量熱體。負載吸收功率,使之轉換成熱能,從而量熱體溫度上升,檢測其溫差熱電勢,根據功率和熱電勢間的關系來確定被測功率。量熱體有干負載、流體(水、油等)負載之分。實際測量中常采用替代技術來校準溫度測量裝置,用已知的直流(或低頻)功率來替代被測射頻或微波功率。量熱式功率計的工作頻段已達毫米波段,量程可分別做成大、中、小功率范圍,單個儀器動態范圍達30~40dB,測量誤差可達千分之幾。量熱式功率計的主要優點是準確度高、可靠性好、動態范圍大、阻抗匹配好;缺點是結構和測試技術復雜,對環境溫度和測試設備要求苛刻,而且測試時間長。囚它能獲得很高的測量準確度,世界各國都采用它作為國家功率標準。采用自動反饋電路可大大縮短測試時問,改善測量的精密度。量熱式功率計可分為替代靜止式和替代流動式量熱計,其主要技術指標為:頻率范圍,同軸系統一般到10GHz(有的可達18GHz),波導系統可達毫米波;量程,靜止式為10mW~1W(有的可達10W),流動式量熱計常用來測量大功率,例如水負載量熱計,量程可達2000W;誤差為±3%~±10%;電壓駐波比為1:5左右。

    二極管法

    在微波功率測量中,晶體二極管是一種最常用的信號檢波器,經常用作功率電平的指示器。早期使用的晶體二極管大多是點接觸式硅二極管,由于結構脆弱、一致性差、穩定性不好等缺點,僅能作為相對電平的指示,而不能用作絕對功率測量。而后來出現的低勢壘肖特基二極管,采用面接觸式,機械強度和穩定性得到很大的提高,一致性好。用它制造的功率座可測量nW量級的低電平功率。在這種功率中,二極管檢波器被集成在以藍寶石為襯底的薄膜電路上,并有一個50Ω的終端負載與同軸線的阻抗相匹配,它在0.01~18GHz頻率范圍內的駐波系數小于1.4,功率靈敏度為500mV/mW,比熱電偶功率座高3000倍。但由于二極管平方律范圍的限制,這種功率座的最大可測功率僅為10μW。當被測功率大于μW時,檢波器的輸出電壓與輸入功率之間就會偏離線性關系,于是引入較大測量誤差。這類功率座也需配備高靈敏度的直流放大器作為功率指示器,從而組成二極管式功率計。

    微量熱計法

    微量熱計法用測熱電阻元件作為量熱體,用量熱計法原理高準確度確定測熱電阻座的有效功率,然后用測熱電阻座配以高準確度的電橋來單獨測量功率。這種方法的優點是準確度高,速度快和使用方便。許多國家都用它建立小功率國家標準,準確度達±0.2%~±0.5%。

    平均功率的測量方法

    在直流或低頻段可使用直接按瓦特(W)刻度的瓦特表。面在高頻和微波段常采用間接測量,將功率轉化為其他物理量進行測量。功率往往采用功率計進行測量。功率計一般是由功率座和功率指示器組成。功率的測量方法根據原理可以分為:熱敏電阻法、熱電偶法、量熱計法和二極管法。

    射頻替代法

    射頻替代法是在相同的頻率下,用射頻連續波信號代替脈沖信號,實現對射頻脈沖功率的測量。因此,就把射頻脈沖功率測量簡化為連續波功率測量。原理如圖2-17所示。測量方法如下。

    開關接通B路,被測射頻脈沖信號經過定向耦合器和檢波器后,由A/D變換器采樣,計算機處理并顯示出被測脈沖信號的幅度值。開關接通A路,調節射頻連續波信號源的輸出,使其在計算機上顯示的幅度與脈沖幅度相等,這時從指示功率計讀取指示的功率值只。在端口1接連續波信號源,在端口2接標準功率計。開關再次接通B路,由標準功率計讀取功率值Ps,同時由指示功率計讀取值P1'。然后按照式(2-10)計算被測射頻脈沖功率:式中,Pp為射頻脈沖信號源輸出的射頻脈沖功率,P1為替代時指示功率計的讀數,P1’和Ps均為測量時指示功率計的讀數。

    本方法的測量不確定度是由標準功率計、指示功率計、定向耦合器和連接不重復性等引入的標準不確定度分量構成。用射頻替代法測量脈沖功率的測量不確定度約為5%左右。射頻替代法適用于各種矩形、非矩形脈沖調制的峰值功率測量。由于脈沖功率與連續波功率是在功率計上進行比較測量,故提高了測量的比較分辨力,比用示波器作比較指示要高一個數量級。

    連續波比較法

    如果晶體檢波器對連續波功率和脈沖峰值功率具有相同的響應,利用晶體檢波器檢波后的脈沖電壓幅度與脈沖峰值功率成正比的特性,可以用比較的方法來測量脈沖峰值功率,開關接通B路,被測脈沖信號經過定向耦合器I、射頻開關和峰值檢波器后,送到示波器,在示波器上可以得到脈沖調制的包絡及脈沖信號的頂部幅度。開關接通A路,連續波信號經過定向耦合器II、射頻開關和峰值檢波器后,存示波器上可以得到連續波信號幅度。調節可調衰減器的衰減量使連續波信號的幅度與脈沖信號的幅度相同,只是在連續波小功率計的指示功率為P。

    那么被測得峰值功率電平Pp可以用下式計算:

    (2-9)式中,C1,C2為定向耦合器I、II的耦合度,單位為dB。

    用連續波比較法測量脈沖峰值功率的測量不確定度是由小功率計、定向耦合器、峰值檢波器的交直流特性及接頭連接不重復性等引入的標準不確定度分量所構成。采用連續比較法可以測量各種矩形調制的脈沖峰值功率,甚至是不同的,與空比和重復頻率的脈沖峰值功率;另外,該方法操作較簡單,測量時間短。

    取樣比較法

    取樣比較法測量脈沖峰值功率的基本原理是:將脈沖調制的微波信號與。個輔助的幅度可調的連續波信號,通過高速射頻開關分別取樣和檢波,通過幅度比較完成的。連續波功率可以用標準小功率計精確測出,兩個通路的路徑衰減可以用連續波定標,那么脈沖峰值功率就確定了。圖2.15所示為取樣比較法的原理框圖。

    取樣比較法的測量過程如下

    (1) 程控射頻開關接到1端口,這時脈沖調制信號經定向耦合器I通過程控射頻開關饋入二極管高速射頻開關,二極管開關受與調制脈沖同步的開關脈沖控制而開啟。在開關脈沖的持續時間內,脈沖調制信號接到3端,并由連續波功率計測出平均功率。同時,在二極管高速射頻開關的其他時間,在4端出現取樣后的射頻信號,該信號經檢波后,由示波器顯示,用于監視信號波形。

    (2) 程控射頻開關接到2端口,這時連續波信號經定向耦合器II通過程控射頻開關饋入二極管高速射頻開關,同樣在開關脈沖的持續時間內,脈沖調制信號接到3端,并由連續波功率計測出平均功率,示波器同時顯示取樣后的波形。調節連續波信號的幅度,使其在連續波功率計的指示功率幅值與脈沖調制信號相等。這時讀出連續波功率在標準小功率計的指示值,這樣被校的脈沖峰值功率也就測出了。

    平均功率法

    平均功率法是通過測量射頻脈沖功率的平均值、脈沖寬度和重復頻率,然后計算出被測脈沖功率值。平均功率常用熱敏電阻功率計來測量,并用示波器測量脈沖寬度和重復頻率。

    (1) 低電平射頻脈沖功率測量

    測量原理方框圖如圖2-13所示。脈沖信號源的輸出功率經過定向耦合器耦合出一部分信號,由檢波器檢波后用示波器觀測脈沖寬度τ、脈沖重復頻率F和波形修正系數Kp。同時用接在定向耦合器輸出端的功率傳感器和指示器組成的測試電路來測量其平均功率Pav再按式(2-7)計算被測脈沖信號源的輸出脈沖信號功率Pp:式中,Kp為脈沖波形修正系數,對理想的矩形脈沖波,Kp=1;Pav為脈沖功率的平均功率值;τ為脈沖寬度,F是脈沖重復頻率。

    (2)高電平射頻脈沖功率測量

    高電平射脈沖功率測量原理如圖2-14所示。

    圖2-14中,定向耦合器II用來擴展功率量程,實現高電平功率測量。按式(2-8)計算

    被測脈沖功率:式中, C2為定向耦合器II的耦合度,單位為dB。

    平均功率法測量脈沖功率,是一種簡便的測量方法,其測量準確度主要取決于熱敏電阻功率計的測量誤差和脈沖參數的測量誤差,以及定向耦合器耦合度的測量誤差。 一般來說,用平均功率法測量射頻脈沖功率的測量不確定度約為10%~20%。此外,平均功率法僅僅適用于占空系數恒定的場合,否則無法確定脈沖參數,也就不能計算被測脈沖功率。

    另外,當用熱敏電阻功率計去測量脈沖峰值功率時,必須考慮熱敏電阻座所能承受的最大脈沖功率,否則會燒毀功率座。功率座承受功率能力有兩種表示,一種是最大平均功率,另一種是脈沖峰值功率。功率座的單位脈沖承受能力用W.岬表示。如果被測脈沖功率超過功率座所規定的值,應在功率座前端串接一個衰減器,以防燒壞功率座。

    脈沖功率計法

    用射頻脈沖功率計來測量脈沖功率,是最直接和最簡便的測量方法,所以它是目前廣泛使用的測量方法。較常用的射頻脈沖功率計有下列幾種。

    (1) 晶體檢波器——視頻斬波功率計

    這種功率計的原理框圖如圖2-1l所示。被測脈沖峰值功率通過功分器將一部分功率加到峰值檢波器上,經檢波后的脈沖電壓和一個直流參考電壓,通過視頻斬波器交替地加到示波器上進行比較。調節直流參考電壓的幅度,使之與脈沖電壓的幅度值相等,如圖2-12所示。根據電壓表上的功率刻度值,便呵求出被測的脈沖峰值功率。

    電壓表的功率刻度值可以用連續波功率計校準。連續波校準時,用一臺連續波信號源連接在輸入端口上,同時用一臺已校準的連續波功率計替代50Ω負載。衰減器用來擴展功率計量程。

    由于這種脈沖功率計采用脈沖波形比較的方法,所以可以測量脈沖寬度內任意時刻的峰值功率,且該方法簡單易行。

    (2) 射頻脈沖峰值功率計

    射頻脈沖峰值功率計的工作原理是先用快速二極管檢波器檢出射頻脈沖包絡波形,然后用選通脈沖控制采樣保持電路對脈沖包絡波形進行采樣,并將采樣信號放大變成數字信號,送入儀器內的計算機,選通脈沖受精密控制數字延遲器控制,使觸發脈沖的延遲時間精確的逐步遞增,直至對整個脈沖包絡采樣完畢,射頻脈沖包絡波形由儀器面板的液晶顯示器顯示,并可借助于可移動標線讀出脈沖包絡上任意點的延遲時間和該處的功率電平,進而求出峰值點的功率電平。

    脈沖峰值功率測量方法

    在通信系統中,脈沖調制的射頻和微波系統得到廣泛應用。這類系統的基本參量之一是脈沖峰值功率。脈沖峰值功率是指出現脈沖功率最大值的載波周期內的平均功率,而脈沖功率是指在一個脈沖持續時間內的平均功率。對于理想的矩形脈沖,峰值功率等于脈沖功率。

    測量脈沖峰值功率的方法有以下幾種:

    1. 脈沖功率計法

    2. 平均功率法

    3. 取樣比較法

    4. 連續波比較法

    5. 射頻替代法

    功率測量

    單位時間內所做的功稱為功率。功率的國際標準單位是瓦特(W),表示在1s內完成1J功的功率。在實際應用中,常用分貝瓦(dBW)表示以 l W為參考電平來描述功率的對數式單位;分貝毫瓦(dBm)則表示以1毫瓦(mW為參考電平的功率的對數式單位。計算如下:

    P(dBW)=l0 lgP(W)                                           ( 2-1)

    P(dBm)=10lgP(mW)

    由式(2-1)可知:lW可記為0dBW或30dBm,10微瓦(μW)可記為-50dBW或-20dBm。

    在直流和低頻時,可以直接測量出的電壓值U、電流值I,和它們之間的相角φ來計算功率。但在高頻時,根據傳輸線理論可知,電壓和電流可能隨傳輸線的位置改變,因而不能直接測量電壓和電流。所以,在射頻和微波頻率,大多都直接測量功率。功率測量通常用功率計進行。功率計可依測量方式、工作原理、量程大小、被測信號形式和傳輸線類型等進行分類。根據功率計接入傳輸系統的方式可分為吸收(終端)式和通過式功率計。吸收式功率計是作為被測系統的終端負載,吸收輸出功率。通過式功率計僅吸收被測系統中的部分采樣功率。功率測量是用變換器把電磁能量變換成熱、電、力、光等易于測量的能量。功率計按所用的變換器不同可分為熱效應功率計(如量熱式功率計、測熱電阻功率計和熱電式功率計等)、有質功率計、電子式功率計(二極管功率計和霍耳效應功率計)、鐵氧體功率計和量子干涉效應功率計等。根據測量的功率量程可分為小功率計、中功率計和大功率計。一般功率量程小于10mW者為小功率計、10mW至l0W者為中功率計,大于10W的為大功率計。對于中、大功率的測量可以用衰減器進行衰減,或者用定向耦合器耦合一部分功率,從而可以用小功率計進行測量。根據被測信號形式分為連續波功率計和脈沖功率計,根據傳輸線類型分為同軸功率計和波導功率計。功率測量有許多重要的用途,如發射機的發射功率、接收機的靈敏度、放大器的增益等多以功率表征,且以功率測量定標。


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