便攜式功率分析儀設計----硬件設計（一）

第三章便攜式功率分析儀硬件設計

3.1微波功率測量原理

微波功率測量電路的連接方式一般分為終端式和通過(guò)式兩種。終端式接法是把待測的信號功率直接送入功率計。即以功率探頭為吸收負載，由它把吸收的微波功率轉換為可以指示的某種電信號，再由指示器給出待測功率值。這種方法適用于測量發(fā)射裝置或微波信號源的輸出功率。通過(guò)式接法是按已知比例從主傳輸線(xiàn)上耦合出部分功率來(lái)測量主傳輸線(xiàn)所接負載吸收的凈功率，或用來(lái)監測主傳輸線(xiàn)上傳輸功率的情況。

功率方程是功率測量線(xiàn)路中正確分析待測功率值的基礎。將功率探頭接到待測功率源的輸出端T面，T面相當于由一段特性阻抗Zo的無(wú)耗傳輸線(xiàn)相連接。當源端和負載端阻抗都本等于Zo時(shí)，設T面上的源和負載的反射系數分別為Γg=(Zg -Zo)/(Zg +Zo)和ΓL=(ZL -Zo)/(Z L +Zo)。由此得出：(1)測量功率源輸出，實(shí)際上是要求測量功率源向無(wú)反射負載的輸出功率P o，只有當終端式功率計的ΓL=0時(shí)，才能準確測出P o。(不管|Γg|是否為零)。只有|Γg|也同時(shí)為零時(shí)，才能測出資用功率P A(因為不可能要求功率探頭的反射系數與待測源反射系數共扼匹配)?？梢?jiàn)，為提高功率測量精確度，要求終端式功率計的ΓL盡可能小，以減小失配不確定因子1/(1±|ΓgΓL|)2的作用。一般情況下，終端功率計指示的功率是P o，|Γg|和|ΓL|引入失配誤差。

功率計一般包括功率探頭和指示器兩部分。這兩部分根據靈敏度、精確度的不同，而使探頭的結構和指示電路的繁簡(jiǎn)程度也不相同，種類(lèi)繁多。

功率探頭的基本功能是把待測微波功率轉換為可檢測的電信號，如檢波器輸出的直流信號，惠斯登電橋的失街電流、熱電偶的熱電壓等。其結構隨可承受功率的大小及使用要求而不同。

功率指示器的基本功能是把可測電信號變換為可指示電信號，經(jīng)過(guò)定度，使其讀數直接表示微波功率值。它一般包括變換放大解調和表頭指示電路兩部分。

前者的功能是放大可測電信號，提高功率計靈敏度和指示精度;后者常用的是電工表頭或數字指示電路。最簡(jiǎn)單的功率指示電路也可以不用變換放大解調，而直接指示可測電信號。如常用的晶體檢波器，在連續波工作時(shí)，它輸出的可測電信號是直流電壓(或電流)、若這個(gè)電壓(或電流)足夠大，就可直接由數字電壓表或微安表頭指示。

3.1.1現代射頻脈沖功率測量方法

微波脈沖設備在現代電子設備及電子武器中占有重要地位。例如雷達、數字通信系統和電磁導彈、核武器的發(fā)射器等，都需測量其脈沖峰值功率。目前，人們正在研究將產(chǎn)生周期性或非周期性的大功率短脈沖電子設備，作為高功率微波武器。對這種高功率短脈沖微波信號，無(wú)論是研究它對電子設備產(chǎn)生的下擾，還是研究它對生命體產(chǎn)生的傷害作用，都要求研究其峰值功率的測量方法。特別是對極短脈沖峰值功率的測量，由于耦合元件過(guò)渡歷程的影響，使通過(guò)式擴展功率法在測量上產(chǎn)生很大困難。因此，研究微波脈沖峰值功率的測量方法，也是近代微波測量的任務(wù)之一。

由功率的原始公式P=I 2 R，可以知道，功率就是單位時(shí)間內，在電阻上產(chǎn)生的熱量。而脈沖峰值功率是指出現脈沖功率最大值的載波周期內的平均功率，而脈沖功率是指在一個(gè)脈沖持續時(shí)間內的平均功率。調制信號的平均功率P AV定義為，在許多個(gè)周期內取平均的功率，其表達式為：

式中T 0——載波信號周期;

n——載波信號周期數;

p(t)——功率瞬時(shí)值。

脈沖功率P p定義為，在一個(gè)脈沖持續時(shí)間τ內取平均的功率，其表達式為：

式中，τ是脈沖寬度。

脈沖峰值功率P pp定義為脈沖調制峰值處的射頻平均功率，其表達式為：

式中，p V是調制脈沖在恒定負載電膽R兩端的峰值電壓。

顯然，對于理想的矩形脈沖，其峰值功率等于脈外功率。人們通常所述的脈沖功率，其調制波形均系指矩形調制脈沖。

依據以上理論，現代功率測量采用了多種方法。在射頻和微波段常采用以下幾種方法：

量熱計法：將電磁能量轉換成熱能來(lái)測量。負載吸收功率，使之轉換成熱能，從而量熱體溫度上升，檢測其溫差熱電勢，根據功率和熱電勢間的關(guān)系來(lái)確定被測功率。

測熱電阻法(測輻射熱器法)：利用某些對溫度敏感的電阻元件在吸收電磁能量后阻值變化的特性來(lái)測量功率。

微量熱計法：用測熱電阻元件作為量熱體，用量熱計法原理高準確度確定測熱電阻座的有效功率，然后用測熱電阻座配以高準確度的電橋來(lái)單獨測量功率。

熱電法：借助于熱電元件將電磁能量變?yōu)闊崮懿y量由于發(fā)熱所形成的熱電勢，熱電勢與熱電元件所耗散的射頻與微波功率成正比，以此來(lái)測定功率。這些使用熱效應法的功率計因為其受溫度影響很大，所以結構和測試技術(shù)復雜，對環(huán)境溫度和測試設備要求苛刻。

以上這些功率計是熱效應功率計，諾加熱敏電阻、鎮流電阻和熱偶等熱效應微波傳感器，它們的熱學(xué)時(shí)間常數較大。當被測信號是周期性脈沖時(shí)，這些功率傳感器通常跟不上脈沖包絡(luò )的變化，因而不能顯示脈沖峰值功率。在穩定狀態(tài)下，這種熱效應功率計的讀數，只能表示該射頻脈沖在重復周期內的平均功率，由此可見(jiàn)并不能滿(mǎn)足射頻微波方向的應用。迄今，其響應速度能真實(shí)地跟上脈沖調制，并用于峰值電平測量的功率傳感器，是晶體二極管(用于低功率測量)和真空二極管(用于高功率測量)。通常用于測量峰值脈沖功率的經(jīng)典方法主要是：平均功率法和峰值檢波功率測量法。