技術

功率計和功率傳感器工作原理

2013-12-25 來源：微波射頻網字號：大中小

功率計由功率傳感器和功率指示器兩部分組成。功率傳感器也稱功率計探頭，它把高頻電信號通過能量轉換為可以直接檢測的電信號。功率指示器包括信號放大、變換和顯示器。顯示器直接顯示功率值。功率傳感器和功率指示器之間用電纜連接。為了適應不同頻率、不同功率電平和不同傳輸線結構的需要，一臺功率計要配若干個不同功能的功率計探頭。

圖1 功率測量儀器的組成

按功率傳感器技術類型，可把功率計分為3類：熱敏電阻型功率計，熱電偶型功率計和晶體檢波式功率計。

熱敏電阻型功率計使用熱敏電阻做功率傳感元件。熱敏電阻值的溫度系數較大，被測信號的功率被熱敏電阻吸收后產生熱量，使其自身溫度升高，電阻值發生顯著變化，利用電阻電橋測量電阻值的變化，顯示功率值。

熱電偶型功率計則是利用熱電偶型功率計中的熱偶結直接吸收高頻信號功率，結點溫度升高，產生溫差電勢，電勢的大小正比于吸收的高頻功率值，進行功率測量。

晶體檢波式功率計使用晶體二極管檢波器將高頻信號變換為低頻或直流電信號。適當選擇工作點，使檢波器輸出信號的幅度正比于高頻信號的功率。

1.熱敏電阻功率傳感器和功率計

熱敏電阻是一種由金屬氧化物的化合物制成的電阻器，隨溫度呈現大的電阻變化。若將熱敏電阻用于形成功率傳感器的終端，則它的電阻將隨外加功率引起的溫升而變。

圖2說明了熱敏電阻功率計的基本原理。圖2（a）的電路表明對于射頻輸入端上出現的信號，兩個熱敏電阻如何被布置成并聯以及如何與功率計相串聯。功率計的連接跨接在射頻旁路電容器兩端，以避免熱敏電阻那邊的射頻泄露。

圖2 熱敏電阻功率計的基本工作原理（（a)熱敏電阻功率傳感器；（b）自動平衡電橋）

功率計利用稱為自動平衡電橋的電路，該電路提供將熱敏電阻阻值RT維持恒定在R值上的直流偏置功率。若熱敏電阻上的射頻功率增加，則電橋使偏置功率減小一個相類似的量。射頻功率降低則引起電橋增加偏置功率，使熱敏電阻維持恒定的電阻。功率計內的輔助電路對直流功率的這個變化進行處理，以獲得功率讀數。

圖3 溫度補償式熱敏電阻傳感器

熱敏電阻的阻值隨環境溫度以及射頻和直流功率而變，所以溫度的任何變化都會引起功率讀數變化。現代熱敏電阻功率傳感器通過利用與射頻檢測熱敏電阻有熱聯系但電氣上相隔離的第二組熱敏電阻來克服這一問題。圖3示出了溫度補償式熱敏電阻傳感器的電路。這類傳感器要求包含兩個自動平衡電橋以及依據加到檢測熱敏電阻和補償熱敏電阻上的偏置信號來獲得功率讀數的電路的專用功率計。圖4給出了這類功率計的詳細框圖。

圖4 帶有溫度補償式熱敏電阻功率計原理框圖（N432A）

將加到射頻電橋上的偏置功率相對于加到補償電橋上的功率進行比較，射頻功率由下式給出：

Prf=(Vc^2-Vrf^2)/4R

式中，Prf為射頻功率；Vc為加到補償電橋上的電壓；Vrf為加到射頻電橋上的電壓；R為熱敏電阻傳感器在平衡時的電阻。

功率計包含一個在通Vc與Vrf之和成正比的時期內閉合的電子開關，從而在儀表測量部件M中形成電流流動，其大小通Vc與Vrf之差成正比。通過儀表的電流的平均值計算式，不加射頻功率時，Vc=Vrf，這個條件在使用者啟動自動調零電路時便能得到。現代熱敏電阻功率計提供10mW---1uW輸入功率范圍的測量能力（40dB),并可提供能工作在100KHZ---1000GHZ頻率范圍內不同波段的傳感器。

熱敏電阻傳感器曾經廣泛用于一般用途的功率測量，但它們已被能提供更佳性能的其他功率檢測方法取代。現在的主要用途是功率計和傳感器的校準。

2.熱電偶功率傳感器和功率計

工程師十分希望功率傳感器具有寬動態范圍、低漂移和小駐波比，且一臺儀器能夠容納寬的頻率范圍。利用熱電偶的功率傳感器便能滿足這些要求。

兩種相異導體的連接形成一對熱電偶結，這些結兩端存在的任何溫度梯度將產生電壓。功率傳感器的熱電偶結構被設計成包括一個耗散大部分外加功率的電阻器。電阻器的的溫度升高，在附件的熱電偶結兩端便形成溫度梯度，從而產生與功率成正比的電壓。兩組這類結構實際上可以這樣取向，使由電阻器耗散的功率產生的溫升引起兩個熱電偶結構產生相加的溫差電壓，而由環境溫度變化產生的溫度梯度則引起相抵消的溫差電壓，因而將零讀數的漂移減至最小。該電阻器的阻值被設計成為傳輸線提供良好匹配的終端。

功率傳感器中使用的熱電偶元件可能由金、（n)型硅和氮化鉭電阻材料構成，而薄膜結構則提供工作在超過40GHz頻率上所需的小尺寸和精密幾何形狀。圖5是利用這些技術的熱電偶傳感器的示意圖。

圖5 熱電偶功率計原理簡圖

熱電偶的靈敏度可以借助其直流輸出電壓的幅度相對于傳感器耗散的射頻功率的大小來說明。典型靈敏度約為160uV/mW，低達1.0uW的功率電平可以用這類傳感器進行測量。必須測量的直流電壓可能低達0.16uV，所以功率計內部的放大器必須提供高增益。重要的是，這些放大器不能添加到待測微伏電壓上或從中減去的任何附加直流偏置。

圖6所示的斬波輸入放大器和同步檢波器能夠滿足這個要求。斬波器用方波驅動信號進行工作，它直接將交流耦合放大器的輸入電容器轉接傳感器的輸出端或者轉接到地。輸入電容器由直流輸入電壓充電并由接地放電，所以到放大器的輸入信號變成幅度正比于傳感器輸出的方波。交流耦合放大器具有足夠高的增益，產生數伏的輸出方波且不包含偏置電壓。同步檢波器靠與斬波器一樣相同信號工作的另一個開關，它將放大器輸出與RC（電阻器）濾波器相連或將濾波器輸入接地。由于輸出轉接與輸入斬波器同步，故濾波電容器由輸入直流電壓產生的方波的同一半周期充電。濾波器的輸出是很容易加以處理和顯示的直流電壓。

圖6 斬波輸入放大器和同步檢波器

圖7是整個功率計的結構框圖。斬波器和輸入放大器的一部分包含在傳感器中，所以電平相當高的信號被傳送至功率計，在此，信號經放大，由同步檢波器變回到直流，再由儀表顯示。在利用熱電偶傳感器的數字式功率計或基于微處理器的功率計中也存在類似電路。現代熱電偶式功率計提供在100mW到1uW（50dB)輸入功率范圍的功率測量能力。

大多數熱電偶式功率計都提供了具有已校輸出功率的精密參考源，它用于調節系統的增益，以補償熱電偶不同元件之間靈敏度的變化。每當將不同的傳感器與功率計相連時，使用者進行這一調節，這一過程可以簡單到將傳感器與參考源相連并按動相應按鈕。

圖7 熱電偶功率計原理框圖

3.二極管功率傳感器和功率計

利用半導體二極管作為檢波元件有可能測量極低的功率電平。圖8示出了二極管傳感器的最簡單形式。可以看出，它包含隔直流電容器，終端電阻器，二極管和射頻旁路電容器。流過二極管的電流是負載電阻器兩端出現的外加電壓的非線性函數。某些二極管在很低的外加電壓（mV級）下將傳導顯著電流（uA級)，但仍然存在非線性關系，并引起遵循外加電壓平方（即平方律響應）的整流輸出，因而服從冪次關系。圖9給出的數據說明，工作在平方律區域時，檢測二極管的輸出直接效仿輸入功率變化。由于檢波機理服從冪次關系，故平方律二極管傳感器將指示復合波形總功率的正確值。

圖8 二極管功率傳感器的檢波電路

為了保證二極管對信號功率起響應，某些功率傳感器設計將測量范圍限制在平方律區域以內。這類傳感器能測量低達0.1nW(-70dBm)的功率電平，且它們將完成與外加信號的波形無關的精確功率測量。平方律工作的可用動態范圍約50dB，所以平方律二極管可以使用與熱電偶傳感器相同的功率計。

將二極管傳感器的工作向更高功率電平（10---100mW)擴展的功率計可能提供具有很寬動態范圍（70dB或更大）的測量能力，但在高于10uW量程上獲得的讀數只適用于連續波（CW）正弦信號。在高功率電平上，二極管的工作類似于對外加電壓的峰值起響應的線性檢波器。圖9表明，為了產生100:1的功率變化，需要二極管的輸出指示10:1的電壓變化。在這個工作范圍，二極管傳感器的輸出在變成功率指示之前，必須進行平方。

利用工作在線性范圍的二極管傳感器的功率計包含有將二極管的輸出電壓進行平方的裝置，給出與連續波正弦信號的功率相對應的讀數。用于測量連續波信號的平均功率的功率計不能精確測量帶有任何幅度調制形式的信號的功率。這個問題的解決辦法是降低信號幅度，直到二極管工作在二極管對總功率起響應的平方律區域。

圖9 二極管功率傳感器的輸出電壓隨輸入功率的變化

傳感器工作在線性范圍時，載頻的諧波可能帶來顯著的測量誤差。例如，若諧波比基波低20dB(10%的諧波電壓），便會造成總信號功率的1%的影響。具有平方律響應的傳感器將指示總功率的正確值。諧波電壓可能加到基波的峰值電壓上或從中減去，所以線性檢波器可能具有在無失真信號電壓的90%與1.1倍之間變化的輸出。由于傳感器的輸出隨后被平方，故指示功率可能比真值高20%或低20%。實際峰值電壓取決于基波與諧波的相位關系，所以，沒有修正這個誤差的方法。圖10所示的全波檢波器對峰峰電壓進行檢測，只有當信號包含奇次諧波時才增添顯著的誤差。