現(xiàn)代微波測量技術(shù)(三)

現(xiàn)代微波測量技術(shù)（三）

信號電平與功率測量表征微波信號的三個重要基本參數(shù)

阻抗頻率功率

低頻電子電路電壓電流

3.1概述

微波傳輸線中

電壓、電流參數(shù)使用不方便，特別是在非TEM波傳輸線系統(tǒng)中電壓、電流的定義失去了唯一性，如單導(dǎo)體傳輸線波導(dǎo)－模式電壓，模式電流。傳輸功率是確定的！工作模式圓波導(dǎo)H02、H03…H62H02、H03－H01H01－H11

而在TEM波傳輸線系統(tǒng)工作于主模且在行波條件下，行波電壓V、電流I和傳輸功率P仍滿足與低頻電路相同關(guān)系式。典型代表同軸線微波功率常用度量單位

GWMWkWWmWμWpW109106103110－310－610－12

實際應(yīng)用中，如一個通訊或雷達(dá)系統(tǒng)中各部分信號功率范圍相差可達(dá)10個數(shù)量級以上，上述表示方法不方便——對數(shù)單位。

遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)，航空管制雷達(dá)---MW倒車?yán)走_(dá)----mW微波功率常用度量單位

0dBm-30dBm27dBm0dBW=?dBm1mW?mW?W1W1dBm5dBm？dBm10dBW=?dBm?mW?mW3mW?峰值、有效值終端接匹配負(fù)載50Ω同軸傳輸線中，終端負(fù)載電壓與吸收功率關(guān)系。（有效值）幅（峰）值

TD6604數(shù)字存儲示波器，輸入阻抗50Ω,模擬帶寬6GHz平均功率，脈沖功率，峰值包絡(luò)功率一些基本概念CW場合功率基本定義平均功率脈沖功率峰值功率、峰值脈沖功率對于CW信號，平均功率脈沖功率峰值功率、峰值脈沖功率平均功率測量技術(shù)使用最普遍，方便、精度高一致對于復(fù)雜調(diào)制信號？常見微波功率測量儀器

常見微波功率測量儀器

－10dBm~＋20dBm國產(chǎn)小型功率計常見微波功率測量儀器

－40dBm~＋20dBm0.5-18GHzHP8991A峰值功率計常見微波功率測量儀器

－70dBm~＋20dBm50MHz-26.5GHz－30dBm~＋20dBm26.5GHz-40GHzE4418B連續(xù)波功率計常見微波功率測量儀器

10kW（70dBm）S波段水負(fù)載量熱式大功率計

上述微波功率測量儀器有什么特點？微波功率信號低頻電信號指示信號處理微波功率信號熱能低頻電信號指示信號處理傳感器－功率探頭傳感器－功率探頭RF/Microwave熱或低頻電信號熱敏電阻熱電偶二極管檢波器微波功率計分類

微波功率計分類

通過式功率頭輸入為高阻抗（或已知耦合度），并接在傳輸線上，不影響傳輸線對信號的傳輸。微波功率計分類

終端式微波功率計分類

功率敏感元件與適當(dāng)負(fù)載結(jié)合，二者的總輸入阻抗等于傳輸線的總輸入阻抗，則被測功率被敏感元件轉(zhuǎn)換成低頻或直流信號送入指示器。－檢波器3.2.1微波檢波二極管

檢波二極管檢波器微波檢波二極管是依靠金屬絲與硅半導(dǎo)體之間形成的勢壘產(chǎn)生檢波作用-二極管的非線性特性產(chǎn)生直流或低頻電流及電壓。早期使用點接觸式硅二極管，可靠性差?，F(xiàn)面接觸，肖特基勢壘。3.2.1微波檢波二極管

檢波二極管檢波器3.2.1微波檢波二極管

3.2.1微波檢波二極管

幾種微波檢波二極管V/I特性曲線比較

3.2.1微波檢波器

基本原理圖3.2.1微波檢波二極管

工作原理為保證寬溫度范圍內(nèi)良好的匹配，一般選取動態(tài)電阻比特性阻抗大1－3個數(shù)量級。3.2.1微波檢波二極管

工作原理當(dāng)負(fù)載RvCv有直流電壓Vd時，檢波管上的電壓瞬時值為：則檢波管上的瞬時電流為：3.2.1微波檢波二極管

工作原理直流輸出電壓Vd等于i在一個周期內(nèi)的平均值乘以Rv3-2.1微波檢波二極管

工作原理平方律檢波檢波電壓與微波功率線性

（注意最佳線性范圍）但示波器顯示為功率波形，而非電壓波形。非平方律檢波檢波電壓與微波電壓線性

參考書目《微波集成電路》《微波固態(tài)電路設(shè)計》

3-2.1微波檢波二極管

靈敏度mV/mW或mV/μW靈敏度mV/mV3-2.1微波檢波二極管

3-2.1微波檢波二極管

使用注意事項:（1）額定功率（連續(xù)波，脈沖波）（2）阻抗匹配（瞬態(tài)測試，靈敏度）（3）平方律適用功率范圍（4）靈敏度（5）輸入駐波，頻率范圍，輸出檢波電平極性問題：如果信號為多頻，非單個頻率?3-2.6脈沖包絡(luò)與脈沖、峰值功率檢測

許多微波系統(tǒng)工作于脈沖方式，需要進(jìn)行脈沖包絡(luò)和脈沖功率測試。－1930年，雷達(dá)3-2.6脈沖包絡(luò)與脈沖、峰值功率檢測

脈沖功率的檢測采用的方法有：（1）根據(jù)平均功率以及占空比計算得出。

（2）步進(jìn)瓦特計（notchwattmeter）（3）直流脈沖功率比較（DC-pulsecomparison）（4）鎮(zhèn)流電阻積分法（barretterintegrationinstrumentation）3-2.6脈沖包絡(luò)與脈沖、峰值功率檢測

3-2.6脈沖包絡(luò)與脈沖、峰值功率檢測

鎮(zhèn)流電阻視頻脈沖的斜率取決于脈沖功率、偏置電流、靈敏度及時間常數(shù)。平方律檢波3-2.6脈沖包絡(luò)與脈沖、峰值功率檢測

最直接的方法（1），使用平均功率計得到平均功率，以及檢波器、示波器得到占空比數(shù)據(jù)。平均功率3-2.6脈沖包絡(luò)與脈沖、峰值功率檢測

HP8990系列峰值功率計3-2.6脈沖包絡(luò)與脈沖、峰值功率檢測

隨著無線通信技術(shù)發(fā)展，復(fù)雜數(shù)字調(diào)制信號

GSM，TDMA，CDMA

AgilentE4416/17A峰值和平均值功率計3-2.6脈沖包絡(luò)與脈沖、峰值功率檢測

雙音測試（多載波）3-2.6脈沖包絡(luò)與脈沖、峰值功率檢測

雙音測試（多載波，若線性良好）3-2.6脈沖包絡(luò)與脈沖、峰值功率檢測

雙音測試（多載波，若線性良好）3-2.6脈沖包絡(luò)與脈沖、峰值功率檢測

雙音測試（多載波，若線性良好）（峰值功率計視頻帶寬？）14.318MHz33MHz66MHz100MHz3-2.6脈沖包絡(luò)與脈沖、峰值功率檢測

雙音測試（多載波，若線性良好）（峰值功率計視頻帶寬？）3-2.6脈沖包絡(luò)與脈沖、峰值功率檢測

問題1：如果信號為非連續(xù)脈沖，或占空比極低？問題2：單次窄脈沖（幾十ns）？問題3：峰值脈沖功率計能否用于連續(xù)波測試？3-2.6脈沖包絡(luò)與脈沖、峰值功率檢測

需要同時進(jìn)行脈沖包絡(luò)和脈沖功率測試，一般采用檢波二極管。比較實用的是替代法校準(zhǔn)。

（1）標(biāo)準(zhǔn)源－檢波器——得到功率與檢波幅值對應(yīng)關(guān)系。（2）待測源－檢波器——得到輸出功率脈沖包絡(luò)對于窄脈沖（幾十ns），前沿較小測試需注意，檢波器輸出視頻帶寬嚴(yán)重影響測試結(jié)果。3-2.6脈沖包絡(luò)與脈沖、峰值功率檢測

3-2.6脈沖包絡(luò)與脈沖、峰值功率檢測

峰值功率計（HP8991A）峰值、平均功率計AgilentE9320

高實時帶寬示波器（60GHz帶寬）頻譜儀（選頻特性）3-2.6脈沖包絡(luò)與峰值功率檢測

頻譜儀3-3用熱電偶測功率

熱偶由兩種不同金屬接觸形成一個熱端接點構(gòu)成。當(dāng)接點溫度高于冷端溫度時，兩種金屬間會產(chǎn)生直流電勢，其大小與冷熱端的溫差呈正比。3-3用熱電偶測功率

3-3用熱電偶測功率

3-4用測熱電阻測功率

利用特殊電阻（如熱敏電阻）對溫度的敏感性，將高頻功率加載到電阻上使其溫度變化，通過測量此變化來檢測輸入功率。不平衡電橋3-4用測熱電阻測功率（不平衡電橋）

（1）改變I0，使M指示為0，則有平衡條件：（2）在Rb上加載高頻功率，則Rb變化ΔR，產(chǎn)生的失衡電流為3-4用測熱電阻測功率（不平衡電橋）

當(dāng)時，有：設(shè)，則有：即可通過測量Ig測量輸入功率P。問題：與工作點有關(guān)，需定標(biāo)；匹配問題環(huán)境溫度敏感3-4用測熱電阻測功率平衡電橋自平衡電橋溫度補償雙平衡電橋3-5.2水負(fù)載式大功率計－量熱式絕對量熱式替代法借助微波功率在負(fù)載中消耗時產(chǎn)生的熱量－最基本、最古老的方法大功率測試幾乎唯一手段，具有較高精度3-5.2水負(fù)載式大功率計－量熱式5-10kW毫米波大功率計3-5.2水負(fù)載式大功率計－量熱式絕對量熱式直流替代工頻替代法流速出水口與入水口溫差3-5.2水負(fù)載式大功率計－量熱式3-6功率方程（功率探頭/傳感器分析）

3-6功率方程

式中，共扼匹配時RL=RS資用功率共扼匹配功率方程四個重要基本概念

（1）功率源資用功率PA表征源的最大可利用功率，即共扼匹配時功率源的輸出功率。（2）功率源向無反射負(fù)載（）傳輸?shù)墓β时碚髟吹妮敵龉β?。功率方程四個重要基本概念

（3）源入射到負(fù)載的入射波功率（4）源傳輸?shù)截?fù)載的靜功率測量功率源輸出，實際上要求測量功率源向無反射負(fù)載的輸出功率P0。（一般不可能要求功率計探頭與所測功率源輸出實現(xiàn)共扼匹配。）只給出輸出駐波參數(shù)（50Ω）3-6功率方程

3-6功率方程

誤差來源：失配，探頭微波吸收特性，信號處理、讀數(shù)3-6功率方程

失配3-6功率方程

探頭微波吸收特性－效率替代誤差高頻－DC或低頻轉(zhuǎn)換3-6功率方程

失配＋有效效率（含效率與替代誤差）

校正因子CF現(xiàn)代功率計（智能探頭）已將校正因子折合至讀數(shù)微卡標(biāo)準(zhǔn)功率基準(zhǔn)與傳遞功率計比對思考：功率方程級數(shù)推導(dǎo)不要去接觸同軸電纜或連接器的中心導(dǎo)體，因為能量主要集中在這個區(qū)域，會對人體造成極大傷害；連接器和適配器擰緊，避免產(chǎn)生損耗；波導(dǎo)連接法蘭接觸良好；不要去接觸衰減器或終端負(fù)載的散熱器；不要去接觸裸露在外的微帶電路；盡可能采取屏蔽措施，以免造成輻射干擾；檢查將要通過器件的功率；檢查所有器件的損耗（如定向耦合器、衰減器）。例如當(dāng)有0.5dB的損耗，在100W—11W損耗。

1dB—20W損耗在對大功率微波進(jìn)行測量時，特別注意：微波泄漏與功率損耗小結(jié)：微波功率測量注意要點（1）充分了解待測信號樣式（調(diào)制特性、輸出功率、頻率范圍）（2）測試數(shù)據(jù)的不確定度和功率基準(zhǔn)追溯（3）了解可采用的功率計特性與使用注意事項（4）根據(jù)實際情況選擇最合適的儀器與測試方法，最好能進(jìn)行不同方法測試數(shù)據(jù)比較。（5）歸零與校準(zhǔn)過程預(yù)防損壞功率計和探頭的7項措施1、避免過載預(yù)防損壞功率計和探頭的7項措施2、注意探頭警示信息預(yù)防損壞功率計和探頭的7項措施3、注意保護(hù)探頭微波接頭預(yù)防損壞功率計和探頭的7項措施4、合適的微波電纜與接頭處理預(yù)防損壞功率計和探頭的