浅谈射频功率计

浅谈射频功率计射频功率计是用来测量发射机射频输出功率的仪器，简称功率计。还有测量交直流功率的功率计和测量光波、激光的光功率计。一、功率计分类依测量方式、工作原理、量程大小、被测信号形式和传输线类型等进行分类。※根据功率计接入传输系统的方式可分为吸收(终端)式和通过式功率计。※功率计依所用的变换器可分为热效应功率计（如量热式功率计、测热电阻功率计和热电式功率计等）、有质功率计、电子式功率计（二极管功率计和霍耳效应功率计）、铁氧体功率计和量子干涉效应功率计等。※根据测量的功率量程可分为小功率计、中功率计和大功率计。一般功率量程小于10毫瓦者为小功率计（又称为微功率计）。微功率计一般用于科研和计量，属于专业应用。10毫瓦至10瓦者为中功率计，大于10瓦的为大功率计。※根据被测信号形式分为连续波功率计和脉冲功率计。※根据传输线类型分为同轴功率计和波导功率计。A、通过式功率计通过式功率计有输入和输出两个端口，工作时串联在发射机和天线之间，可以实现在线检测和在线监测。其独立检测发射机输出功率，需要在功率计的天线输出端口上安装匹配负载。通过式功率计只有在负载匹配的情况下，其测量读数才能确保一定的准确度。通过式功率计内部大部分都采用耦合方式进行检测（超短波使用微带结构）。优点：电路简单可以做成定向耦合器电路检测天馈系统中正向和反向功率，还可以加入驻波比指示功能。缺点：工作频率比较窄，如果做成宽带形式则带内测量波动比较大难以保证测量准确度。大部分通过式功率计测量范围包含短波和超短波（UHF）的宽频驻波比/功率计，其内部短波和超短波检测电路是分开的，通常输入输出也是分开的两组端口。通过式功率计典型厂家鸟牌，钻石、安捷伦、罗德斯瓦茨。B、吸收式功率计吸收式功率计又称为终端式功率计，只有一个输入口，用来离线检测发射机的输出功率。传统吸收式功率计内部结构有耦合测量型、电热偶型、热敏电阻型。晶体二极管检波型。＊耦合测量型相当于内置匹配负载的通过式功率计，确保负载匹配良好。＊电热偶型功率计电热偶采用两种不同的金属材料组成，通过检测热结点的温差电势来指示功率。＊热敏电阻型功率计采用自动平衡电桥来检测热敏电阻承受到功率发热后的电阻变化来指示功率，具有线性好测量频率特别宽的特点。在实际电路中，采取一些温度补偿措施来减少环境温度变化对热敏电阻的影响。＊晶体二极管检波型功率计是采用高工作频率的晶体二极管将射频信号转换为直流信号进行功率测量，具有动态大灵敏度高的特点。＊量热计法：将电磁能量转换成热能来测量。变换器是感应、吸收电磁能量的负载，称为量热体。负载吸收功率,使之转换成热能,从而量热体温度上升，检测其温差热电势，根据功率和热电势间的关系来确定被测功率。量热体有干负载、流体(水、油等)负载之分。实际测量中常采用替代技术来校准温度测量装置，用已知的直流（或低频）功率来替代被测射频或微波功率。量热式功率计的工作频段已达毫米波段，量程可分别做成大、中、小功率范围，单个仪器动态范围达30～40分贝，测量误差可达千分之几。量热式功率计的主要优点：准确度高、可靠性好、动态范围大、阻抗匹配好。缺点：结构和测试技术复杂，对环境温度和测试设备要求苛刻，而且测试时间长。因它能获得很高的测量准确度，世界各国都采用它作为国家功率标准。采用自动反馈电路可大大缩短测试时间，改善测量的精密度。量热式功率计可分为替代静止式和替代流动式量热计，其主要技术指标为：频率范围：同轴系统一般到10吉赫（有的可达18吉赫）,波导系统可达毫米波;量程:静止式为10毫瓦～1瓦（10瓦）,流动式量热计常用来测量大功率,例如水负载量热计,量程可达2000瓦;误差:±3％～±10％；电压驻波比：1.5左右。＊测热电阻法(测辐射热器法)：利用某些对温度敏感的电阻元件在吸收电磁能量后阻值变化的特性来测量功率。常用自动平衡电桥的直流或音频功率来替代测量射频或微波功率（图1）。所用的温度敏感的电阻元件称为测热电阻，主要有正温度系数的镇流电阻和负温度系数的热敏电阻。它适用于测量小功率，经功率标准校准后可作为传递标准。用阻抗法定度效率后来测定功率，准确度达±0.5％,有的国家用它作为国家标准。典型的测热电阻功率计的主要技术指标为：频率范围：同轴、波导系统为2.6～40吉赫；量程：10微瓦～10毫瓦；误差：±（3～5）％；电压驻波比:1.5左右。测热电阻功率计是广泛使用的一种小功率计。优点：体积小，灵敏度高，响应时间快，使用方便。缺点：过载能力差，容易烧毁（主要是镇流电阻式功率计），易受环境温度影响，宽频带阻抗匹配困难。＊微量热计法:用测热电阻元件作为量热体,用量热计法原理高准确度确定测热电阻座的有效功率，然后用测热电阻座配以高准确度的电桥来单独测量功率。优点：准确度高,速度快和使用方便。许多国家都用它建立小功率国家标准,准确度达±(0.2～0.5)％。＊热电法：借助于热电元件将电磁能量变为热能并测量由于发热所形成的热电势，热电势与热电元件所耗散的射频与微波功率成正比。热电元件是耗散射频或微波能量的负载，又是将射频或微波能量转换成直流热电势的热电偶器件。新型的热电敏感器和热电薄膜功率计已获得广泛应用。优点：频带宽（50兆赫～26.5吉赫），动态范围宽（100微瓦～3瓦），低噪声零点漂移小，灵敏度高（可达0.1纳瓦）,响应时间快和数字显示等。缺点：过载能力差，容易烧毁，长期稳定性尚待改善。测量脉冲峰值功率的方法主要有:①从测量出的平均功率计算脉冲峰值功率;②峰值检波法;③镇流电阻积分微分法；④取样比较法；⑤陷波法。脉冲峰值功率测量中准确度较高的是陷波法，主要技术指标为：频率范围:同轴系统0.95～2.35吉赫,和4.0～4.4吉赫,波导系统8.2～12.4吉赫;量程：10微瓦～10千瓦;准确度:同轴系统约±3％，波导系统约为±(4～6)％。此外还出现了带接口的可程控智能功率计，它可与其他仪器组成自动测试系统。二、功率测量方法在直流或低频段可使用直接按瓦特(W)刻度的瓦特表。在射频和微波段常采用量热计法、测热电阻法、微量热计法和热电法等。三、功率计测试电缆选择为了减少测量误差一条好的测试电缆必不可少。在制作测试电缆时尽量使用优质低损耗高标号电缆，电缆长度宜短不宜长，电缆线径宜粗不宜细。用于430MHz频率测试，50-3直径的电缆不宜超过1.5米，线材最好使用RG-223U之类的镀银低损电缆；50-5直径的电缆不宜超过3米。