微波信号功率的测量讲解学习.ppt

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1、第七章第七章 微波信号功率微波信号功率(gngl)的的测量测量主要内容：主要内容：功率功率(gngl)测量的基础知识测量的基础知识微波功率微波功率(gngl)计的测量原理计的测量原理微波功率微波功率(gngl)测量的误差分析测量的误差分析第一页，共46页。7.1 7.1 功率功率(gngl)(gngl)测量概述测量概述主要内容：主要内容：功率的定义和单位功率的定义和单位功率方程功率方程(fngchng)微波功率测量的一般电路微波功率测量的一般电路第二页，共46页。一、功率的基本一、功率的基本(jbn)(jbn)定义定义:第三页，共46页。1.1.平均功率：信号在一个周期内能量平均功率：信号在一

2、个周期内能量(nngling)(nngling)变变化的平均速率。瞬时信号的平均功率由下式给出：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通常功率定义为在所包含最低频率(pnl)的多个的多个周期上，单位时间所传输能量的平均值。周期上，单位时间所传输能量的平均值。第四页，共46页。Average PowertimeAverage over several modulation cyclesAverage over many pulse repetitions第五页，共46页。如果如果(rgu)被测信号的电压和电流是连续的正弦波（被测信号的电压和电流是连续的正弦波（

3、CW），那），那么其平均功率的表达式为：么其平均功率的表达式为：P=VIcos式中，式中，P为平均功率；为平均功率；V为电压的均方值；为电压的均方值；I为电流的均方值；为电流的均方值；为电为电压与电流的相位差。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：载，所以上述公式变为：P=V2/R 或或 P=I2R1.1.平均功率平均功率：第六页，共46页。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(rxi)响应：P=

4、(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。1.1.平均功率平均功率：第七页，共46页。2.2.脉冲功率脉冲功率 在脉冲持续时间内取平均功率，其表达式：在脉冲持续时间内取平均功率，其表达式：3.3.峰值功率：峰值功率：指在载频指在载频(zi pn)(zi pn)周期内，占有脉冲功率包络线最大周期内，占有脉冲功率包络线最大值处的微波功率的平均值。值处的微波功率的平均值。峰值功率峰值功率PPPPPP可直接测量，或根据平均功率可直接测量，或根据平均功率PavPav、占空、占空系数系数Q Q和脉冲波形系数和

5、脉冲波形系数K K用下式计算确定：用下式计算确定：Ppp=PavT/Ppp=PavT/第八页，共46页。Types of Power MeasurementslAverage Power lPulse PowerlPeak Envelope Power CW RF signalPulsed RF signalGaussian pulse signal第九页，共46页。n一个更为方便的单位是一个更为方便的单位是dBm dBm 它是相对于它是相对于1mW1mW，以，以dBdB为单位的功率级。因此为单位的功率级。因此0dBm0dBm是是1mW1mW。n例如例如+36dBm+36dBm是多少？让我们由

6、是多少？让我们由0dBm0dBm开始开始(kish)(kish)，我们已经知道它是，我们已经知道它是1mW1mW。+30dBm+30dBm将将是是1 mW*10*10*101 mW*10*10*10，即，即1W1W。+6dBm+6dBm是是1 W*2*21 W*2*2，因此最后结果是，因此最后结果是4W4W。n-23dBm-23dBm是多少？使用同样方法从是多少？使用同样方法从1mW1mW开始开始(kish)(kish)，-20dBm -20dBm是是10W10W。-3dBm-3dBm 将减半，将减半，因此最后结果是因此最后结果是5W5W二、功率二、功率(gngl)的单位：瓦的单位：瓦第十页，

7、共46页。n我们通常在我们通常在SISI单位单位(dnwi)(dnwi)制中规定功率单位制中规定功率单位(dnwi)(dnwi)为为W W。这是一种绝对测量。有时以比率说明功。这是一种绝对测量。有时以比率说明功率更为方便。特别是涉及比较率更为方便。特别是涉及比较2 2个功率级的增益或损耗个功率级的增益或损耗时。这是用分贝（时。这是用分贝（dBdB）表示的相对功率概念。）表示的相对功率概念。n用分贝单位用分贝单位(dnwi)(dnwi)表示增益或损耗有二个优点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

8、相加级联网的总效应可以用相加dBdB单位单位(dnwi)(dnwi)的简单方的简单方法代替线性值相乘。法代替线性值相乘。二、功率二、功率(gngl)的单位：瓦的单位：瓦第十一页，共46页。在功率测量中，功率常常被定义为一种在系统或系统元件之间传递的能量(nngling)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、微波功率三、微波功率(gngl)测量的一测量的一般电路般电路第十二页，共46页。接收变换器测量装置读数装置P接收变换器测量装置读数装置P至负载终端终端(zhn

9、 dun)式式(吸收式）功吸收式）功率计的结构图率计的结构图通过通过(tnggu)式功率计的结构图式功率计的结构图第十三页，共46页。四四.功率方程功率方程 功率方程是功率测量功率方程是功率测量(cling)(cling)线路中正线路中正确分析待测功率值的基础。如图表示了信号源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。和负载之间的功率传输关系。信号源负载gLbabg第十四页，共46页。bg代表(dibio)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：入射波功率入射波功率(gngl)Pin(gngl)Pin为：为：第十五页，共46页。同理，负载同理，负载

10、(fzi)(fzi)反射的功率反射的功率PrPr为：为：因此，信号源传输到任意负载因此，信号源传输到任意负载(fzi)上的净功率上的净功率为：为：第十六页，共46页。当 L=g*时（共轭匹配(ppi)），此时信号源传输到负载上的功率最大，PAPA称为资用功率称为资用功率(gngl)(gngl)，它表明信号源可能输出的，它表明信号源可能输出的最大功率最大功率(gngl)(gngl)。上式即为功率上式即为功率(gngl)关系式。关系式。第十七页，共46页。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。

11、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(shyng)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。第十八页，共46页。7.2.1 7.2.1 测辐射热式功率测辐射热式功率(gngl)(gngl)计计EPrfV第十九页，共46页。一一.测热电阻元件测热电阻元件(yunjin)(yunjin)1.1.镇流电阻镇流电阻第二十页，共46页。2.2.热敏电阻热敏电阻(r mn din z)(r mn din z)第二十一页，共46页。3.3.薄膜电

12、阻薄膜电阻(dinz)(dinz)第二十二页，共46页。三三.电桥法测量微波小功率电桥法测量微波小功率(gngl)原理原理四四.平衡式电桥平衡式电桥五五.平衡式电桥的基本电路如图所示：平衡式电桥的基本电路如图所示：第二十三页，共46页。假设(jish)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，即因为两次平衡因为两次平衡(pnghng)(pnghng)时时RbRb均等于均等于R R，于，于是是第二十四页，共46页。2.自平衡(pnghng)电桥第二十五页，共46页。3.3.直流温度补偿双自平衡电桥直流温度补偿双自平衡电桥(

13、din(din qio)qio)原理原理第二十六页，共46页。7.2.2 7.2.2 热电偶式功率热电偶式功率(gngl)(gngl)计计n两个优点：两个优点：1 1）高灵敏度；）高灵敏度；2 2）平方）平方(pngfng)(pngfng)律的特性律的特性第二十七页，共46页。lThe principles behind the thermocoupleVhHot junctionMetal 1Metal 2-+V1-+V2-+12hV =V +V -V0V0第二十八页，共46页。席贝克效应（或热电效应）：当两种不同金属的节点席贝克效应（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

14、两个自由端的温度时，在两个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，其大小自由端之间便会出现直流电势，其大小(dxio)(dxio)与冷热与冷热端的温差成正比。端的温差成正比。第二十九页，共46页。铋一锑薄膜式热偶铋一锑薄膜式热偶 第三十页，共46页。热电偶热电偶第三十一页，共46页。7.2.3 7.2.3 微波晶体二极管式功率计微波晶体二极管式功率计晶体管检波晶体管检波(jinb)(jinb)的原理的原理一般金属一般金属半导体结二极管的伏安特半导体结二极管的伏安特性为性为其中其中IsIs为反响饱和电流；为反响饱和电流；q q为电子电荷为电子电荷(dinh)(

15、dinh)；k k为为波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；T T为热力学温度。为热力学温度。第三十二页，共46页。VsCbRmatchingRsVo+-wattsSquare Law Region of Diode Sensor0.01 mW-70 dBmVO(log)Linear Region0.1 nW-20 dBmVoPINPIN第三十三页，共46页。第三十四页，共46页。改进改进(gijn)(gijn)的功率传感器的功率传感器更宽的动态更宽的动态(dngti)范围范围第三十五页，共46页。7.2.47.2.4量热计法测量微波小功率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借测量微波

16、功率在负载中消耗时所产生的热量来测量微波功率，是一种最产生的热量来测量微波功率，是一种最基本、最古老的方法。基本、最古老的方法。工作工作(gngzu)(gngzu)方式：静止式方式：静止式 媒质是媒质是固体，液体或气体固体，液体或气体 流动式流动式 媒质是水或油媒质是水或油功率传感元件：干负载功率传感元件：干负载 小、中、大功小、中、大功率测量率测量 流体负载流体负载 中、大功率测中、大功率测量量第三十六页，共46页。由热力学原理由热力学原理(yunl)，该系统的热平衡方程，该系统的热平衡方程为：为：C11PGC2,2设设C1C2C1C2，则两者之间的温差，则两者之间的温差(wnch)(wnc

17、h)为：为：第三十七页，共46页。式中式中=C1/G=C1/G，热时间常数；，热时间常数；s=P/Gs=P/G，稳态温差，稳态温差(wnch)(wnch)。可见，可见，=s=s（tt）PP。第三十八页，共46页。7.37.3微波大、中功率测量微波大、中功率测量(cling)(cling)扩展小功率计量程法扩展小功率计量程法（1 1）衰减器法）衰减器法信号源衰减器功率座指示器PAPLPsALgs 假定系统处于(chy)匹配状态，即s=L=g=0，A准确已知，则第三十九页，共46页。（2 2）定向）定向(dn xin)(dn xin)耦合器法耦合器法 第四十页，共46页。2.2.流体流体(lit)

18、(lit)量热计法量热计法第四十一页，共46页。一、测量一、测量(cling)射频脉冲重复周期内的平均功率法射频脉冲重复周期内的平均功率法 设脉冲为矩形，宽度为设脉冲为矩形，宽度为，重复周期为，重复周期为T（=1/f）。）。用连续波功率计测出脉冲的平均功率用连续波功率计测出脉冲的平均功率Pav，有，有Pav=Ppp/TPpp=PavT/=PavQ式中，式中，Q=T/=1/(f)；Q-1是射频脉冲的占空系数。是射频脉冲的占空系数。当脉冲当脉冲(michng)为非理想矩形时，为非理想矩形时，Ppp=KQPav7.4 7.4 微波微波(wib)(wib)脉冲功率测量脉冲功率测量第四十二页，共46页。

19、Ppp=PavQ10 C/10第四十三页，共46页。二二.峰值检波法峰值检波法第四十四页，共46页。7.4 7.4 微波功率测量的失配微波功率测量的失配(sh pi)(sh pi)误差误差分析分析Sources of Power Measurement UncertaintylSensor and source mismatch errorslPower sensor errorslPower meter errorsMismatchSensorMeter第四十五页，共46页。功率功率(gngl)计的操作计的操作（1 1）由于一种功率计主机要配多种功率探头，因此在开机后要选由于一种功率计主机要

20、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。择探头型号，但有的功率计不需要，其主机可自动识别。（2 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功率计调零需要手动，确保探头没有输入的情况(qngkung)(qngkung)下，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制完成，用户只需按自动零键。完全由软件来控制完成，用户只需按自动零键。（3 3）利用利用50MHz 50MHz 参考源进行绝对功率的校准。将功率探头接校准参考源进行绝对功率的校准。将功率探头接校准源的输出，按校准键，功率计会自动完成校准过程。源的输出，按校准键，功率计会自动完成校准过程。（4 4）设置频率值。不同的功率探头在不同的频率点上校准因子都设置频率值。不同的功率探头在不同的频率点上校准因子都各不相同，因此，在测量信号功率前，还要置入信号的频率或在各不相同，因此，在测量信号功率前，还要置入信号的频率或在此频率上的校准因子。此频率上的校准因子。（5 5）最后进行功率测量。最后进行功率测量。第四十六页，共46页。