第四部分(1) 信号功率测量

于是
PL PA (1 g )(1 L ) 1 g L
2 2 2
2

P0 1 g L
(1 L ) 2
2
就是常用的功率方程
Pi
P0 1 g L
2
四个常用术语： 资用功率 PA 表征源的最大可用功率，功率源向无反射负 载传输的功率 P0 表征 g 源的输出功率， g 源入射到 L 负载的入射波功率 Pi ， g 源传输到 L 负载的净功率 P
令
2
PL
2
2
2
2
2
P0 bg
2
，则负载吸收的净功率
2
PL 为
2
PL Pi Pr P0 (1 L ) / 1 g L
已知当源阻抗与负载阻抗共轭匹配时，即 载的功率最大，即功率源的资用功率 PA
g L*
时，功率源传到负
PA P0 /(1 g )
低势垒肖特基管与普通肖特基管及点接触二极管伏安特性曲线的比较
二极管检波原理：
肖特基二极管中的电流和端电压的关系
i I s (e 1)
其中：
v vT
I s 反向饱和电流。
kT vT ，K：玻尔兹 q
曼常数；T：绝对温度；q：电子电荷） 其动态电阻（v=0时）为：
Is 1 i R0 v v 0 vT
功率的度量 单位
表示功率大小的度量单位常用的有兆瓦（MW）、千瓦 （kW）、瓦（W）、毫瓦（mW）、微瓦（ W）、皮瓦 （pW）。
另一种常用表示法是利用某一功率 P0 作为基准电平，以此作为 比较标准来表示功率的大小，并用对数单位表示之，称为电平，即
A(dB ) 10lg
最常用的情况是取 P0 1mW, 这时将A写成
将极细的铂丝（直径1--2） m 。其电阻具有显著的正温度系数，即电阻随所 加功率的增大而增大，称为镇流电阻。其工作阻值一般选择在200 ，即需 要起始加热功率约15 mW 为此需加直流或低频偏置电流约9 mA
热敏电阻
具有负温度系数的热变电阻，它的核心为一个金属氧化物材料制成 的半导体小珠，内埋两根极细的铂丝作为引线，外表涂覆玻璃薄膜作为 保护层。
晶体检波器的输出指示装置
晶体检波器的输出，按照用途和灵敏度等 要求不同，可以采用各种繁简不同的指示装置， 用以显示输入信号的相对或绝对大小。
三.热电偶功率测量
热电偶的工作原理
当两种不同金属的结点被加热，使两个结点的温度高于其余两个自 由端的温度时，在两个自由端之间便会出现直流电势，器大小与冷热端 的温差成正比，这种现象称为热电效应。能产生显著热电势的一对金属 丝称为热电偶。
微波检波二极管是依靠金属丝与硅半导体之 间形成的势垒产生检波作用。
• 图 2-28 两种肖特基势垒二极管结构 • (a) 点接触型；(b) 面结合型
Rj为二极管的非线性结电阻，是阻性二 极管的核心等效元件。Rj随外加偏压而改变，
肖特基势垒 二极管等效 电路
正向时约为几欧姆，反向时可达MΩ量级。 Cj为二极管的非线性结电容，就是金半结 的势垒电容Ct。 Cj随二极管的工作状态而变， 电容量在百分之几皮法到一皮法之间。 Rs为半导体的体电阻，又叫串联电阻。点接触 型二极管的Rs值为十欧姆到几十欧姆，而面结 合型二极管的Rs值约为几欧姆。Ls为引线电感， 为一至几纳亨。Cp为管壳电容，约为几分之一 皮法。 肖特基二极管作为非线性电阻应用时，除 结电阻Rj之外，其他都是寄生参量，会对电路 的性能造成影响，应尽量减小它们本身的值， 或在微波电路设计时，充分考虑这些寄生参量 的影响。
当
R R
Ig
时，有：
I 0 R 4( R Rg ) R
又因为
R P
P
，设 R P ，则有：
I0 I g f (I g )
4( R Rg )
即可通过测量Ig测量输入功率P。
不平衡电桥的缺点：
1.测热电阻的工作阻值随所加高频功率大小不同而变化，不能保持一 定阻值来使高频头保持良好匹配。 2.测热电阻对于环境温度的变化很敏感。一般需要采取温度补偿电 路。
将宽带检波器所需的管子和主要元件集成为一体，构成一 种集成化检波管。集成化同轴检波器可以工作于低自数MHz，高 达18GHz的极宽频带，而且具有较好的驻波比、灵敏度和频响一 致性。
有了宽带高性能的同轴检波器，各种尺寸的波导检波器便 易于解决。
宽带匹配检波器的性能指标
1.频率范围：主要为同轴式，频率范围10MHz---18GHz 2.驻波比：低频端<1.15,高频端<1.4 3.灵敏度：LBSD式一般不限于0.5 mV / W ，点接触式不小于0.4 mV / W 4.频率相应（平坦度）：（参见曲线） 5.平方律范围： 6.最大允许输入功率:点接触式约100mW，LBSD式约为200 100mW。 7.输出噪声电平和最小可检测信号：-50dB-----70dB. 8.动态范围：30dB---70dB 9.输出极性：一般对地位负。
微波功率计
§4.1 信号功率测量
功率测量分类及特点：通过式、终端式 通过式：功率头输入为高阻抗（或已知耦合度），并接在传 输线上，不影响传输线对信号的传输。
终端式：功率敏感元件与适当负载结合，二者的总 输入阻抗等于传输线的总输入阻抗，则被 测功率被敏感元件转换成低频或直流信号 送入指示器。
这种方法适用于测量发射装置或微波信号源的输出功率。如测量 磁控管、速调管振荡器的输出功率。
L
阻抗匹概念
匹配包括两方面的含义
微波源的匹配，问题是如何从微波源中取出最大功率，要求信号源
内阻与长线输入阻抗实现共轭匹配，当 Zi Z g*
* 阻抗， Z g 为源的内阻。
时， Zi 为输入
负载的匹配，问题是如何使负载吸收全部入射功率，要求负载与 长线实现无反射匹配。当 Z L Z0 时，传输线中为行波状态，负 载可以从匹配源输出功率中吸收最大功率，传输线的传输效率最 高，功率容量最大，微波源的工作较稳定。 阻抗匹配方法有两种： 在不匹配系统中适当加入无功元件----调配器，人为地引入一个 或多个反射并使之与原系统产生的反射相互抵消而达到匹配。 在两匹配系统间加接一阻抗变化器，化原不匹配系统内的大反射 为多级的或渐变的小反射乃至最终过度到匹配状态。
在不平衡电桥中大都采用比较简单 的盘形热敏电阻补偿法。 在工作的珠形热敏电阻座的外壁上， 靠近珠形电阻的位置密贴放置两只 盘形热敏电阻，接于左图中的 偿零点漂移和灵敏度的变化。 带温度补偿电桥
Rd 1 和 Rd 2的位置，便可以分别补
2.平衡电桥
调节 R0 ，使测热电阻 Rb 值变 为 R ，电桥出现初始平衡，记 录此时 I0 的读数 I 01 加入被测高频功率，适当调节 直至电桥回复平衡，记录电流 读数 I 02 ，于是
直流输出电压Vd等于i在一个周期内的平均值 乘以R0:
I s R0 Vd 2

2
0
Vd V0 [exp( ) exp( cost ) 1]d (t ) VT VT
V0 1 VT
展开并逐项积分，有小信号
时：
V0 2 V0 n VT Vd I s R0 [ ( ) A( ) ) 4(VT I s R0 ) VT VT
将射频电流通入一根很短的电阻发热丝中对热偶的结点加热，称为他热式热偶。
按照热偶结点与热丝有无点的接触又分为直热式和间热式。
间热式（不接触式）：有利为了更便于提高灵敏度，亦可将热偶丝本身充当通过高频电流的热丝。 由于测量热电势的毫伏表头的偏转比例于被测电流I在热丝电阻R中的发热功率 I 2 R 故热偶式安培计对I的刻度为平方律式。
功率测量的一般电路及功率方程式
系统到达稳态时，形成稳定的入射波和反射波，这一过程用信流图表示， 并解出
a bg /(1 g L ) b a L
得出入射波功率 Pi 和反射波功率 Pr 分别为
Pi a bg / 1 g L Pr bg L / 1 g L
设功率头输入阻抗ZL，等效输入电压V，传输 线特征阻抗Z0，则有：
Z L Z0 Z L Z0
V
2 2
1 Z L Z0 1
V 1
2
功率头吸收的功率为：
P ZL Z0 1 2
即反射系数越小，功率头吸收功率越接近输 入功率。
二. 微波检波二极管测量电平
第四部分 信号功率与空间场测量
微波功率是表征微波信号特性的一个重要参数 ， 如：确定微波发射机的输出功率、测量微波接收机的 灵敏度以及衰减与增益等参数。
已知微波范围内常用的传输系统有两种，TEM波（包括准 TEM波）和非TEM波系统。 在TEM波（如同轴线中的主模）系统中，行波电流、电压 和功率之间有确定的关系式，与低频电路相同。 在非TEM波（如波导）系统中，由于其工作模式的场分布 情况失去电流、电压的唯一性，只能用给定模式的归一化电压 和电流（或称等效电压、电流）表征，但传输功率仍然是确定 的。从而使功率测量在微波波段中成为一种重要的、直接的测 量项目。
测热电阻功率计电桥指示电路
1.不平衡电桥
在未加高频功率时先将电桥调 平衡，称为初始平衡或调零。
1). 改变I0，使M指示为0，则有 平衡条件：
R2 Rb R3 R1
2). 在Rb上加载高频功率， 则Rb变化ΔR，产生的失衡电流为
3 R Rg R Ig [1 ] 4( R Rg ) 4( R Rg ) R I 0 R ( R1 R2 R3 R)
略去高阶项，有：
V0 2 Vd ( ) VT
即R0上的直流电压正比于输入信号的功率。
检波晶体座及实现宽带匹配的途径
由于管子的原点电阻 R0 的阻值与同轴线和波导的阻抗相差 很大，且随频率和信号电平变化，使得老式晶体座匹配困难。 后来加设了匹配电阻，构成了具有匹配电阻的终端晶体检 波器，使检波器的带宽匹配性能大为改善，同时降低了管子的 阻抗随频率、温度和电平变化对匹配的影响。