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1、功率计和功率传感器工作原理功率计由功率传感器和功率指示器两部份组成。功率传感器也称功率计探头，它把高频电信号通过能量转换为能 够直接检测的电信号。功率指示器包括信号放大、变换和显示器。显示器直接显示功率值。功率传感器和功率指示 器之间用电缆连接。为了适应不同频率、不同功率电平和不同传输线结构的需要，一台功率计要配假设干个不同功 能的功率计探头。Power MeterPower SensorWWWVr-RF powerThermistorThermocoupleDiode DetectorDC or low-frequencyequivalentDisplay(dBm or W)图i功率测量仪器
2、的组成按功率传感器技术类型，可把功率计分为3类：热敏电阻型功率计，热电偶型功率计和晶体检波式功率计。热敏电阻型功率计利用热敏电阻做功率传感元件。热敏电阻值的温度系数较大，被测信号的功率被热敏电阻吸收 后产生热量，使其自身温度升高，电阻值发生显著转变，利用电阻电桥测量电阻值的转变，显示功率值。热电偶型功率计那么是利用热电偶型功率计中的热偶结直接吸收高频信号功率，结点温度升高，产生温差电势, 电势的大小正比于吸收的高频功率值，进行功率测量。晶体检波式功率计利用晶体二极管检波器将高频信号变换为低频或直流电信号。适被选择工作点，使检波器输出 信号的幅度正比于高频信号的功率。1 .热敏电阻功率传感器和功
3、率计热敏电阻是一种由金属氧化物的化合物制成的电阻器，随温度呈现大的电阻转变。假设将热敏电阻用于形成功率 传感器的终端，那么它的电阻将随外加功率引发的温升而变。 “”一riI X I图10用于二极管功率传感器的全波检波器图11是二极管功率计的完整结构框图。传感器用全波检波器的二极管传感器，功率计结构与热电偶类似。KFlicircuitGaAs IC3dBX ttOQ5AC inputFeedback.ChopChopTemp compSerial dataKeyboardBalanced ctiopperRange switcliTemp compChop rialCtiop 4g nalSer
4、ialFFPROMSerial latchBPFChopper driverEqualizera ADCGPIB5VSerial clockRectifer & requlatocSerial dataDSPDual sigma delta ADCa LogicOdBm Ref calibrator.ProcessorclockSerial bus图n 二极管功率传感器和功率计原理框图4 .峰值功率传感器和功率计一些专用功率计能够用于测量脉冲调制信号，它们往往包括与示波器相似的显示器，以给出测得的结果随时刻的 转变。检测元件通常设计成具有快速输出响应时刻的二极管。这种传感器的输出精准地仿效已调
5、信号的包络，而与 这种传感器配用的功率计那么兼具持续波功率计和示波器的特性。如以下列图所示。Power SensorHigh-speed samplingmeasurement pathHigh-frequency modulated signal power图12峰值功率计原理简图图8给出了具体仪器的原理框图。峰值功率计能够测试平均功率和峰值功率，因此传感器也有两个通道。功率计 那么更象示波器，直接高速采样，测量检波后的波形。RFINSensor cableto power meter图13峰值和平均值功率传感器和功率计原理框图图2说明了热敏电阻功率计的大体原理。图2 （ a）的电路说明关于
6、射频输入端上显现的信号，两个热敏电阻如何被布置成并联和如何与功率计相串联。功率计的连接跨接在射频旁路电容器两头，以幸免热敏电阻那里的射频泄 露。图2热敏电阻功率计的大体工作原理（a）热敏电阻功率传感器；（b ）自动平稳电桥）功率计利用称为自动平稳电桥的电路，该电路提供将热敏电阻阻值Rt维持恒定在R值上的直流偏置功率。假设热敏电阻上的射频功率增加，那么电桥使偏置功率减小一个相类似的量。射频功率降低那么引发电桥增加偏置功率, 使热敏电阻维持恒定的电阻。功率计内的辅助电路对直流功率的那个转变进行处置，以取得功率读数。热敏电阻的阻值随环境温度和射频和直流功率而变，因此温度的任可转变都会引发功率读数转变
7、。现代热敏电阻 功率传感器通过利用与射频检测热敏电阻有热联系但电气上相隔离的第二组热敏电阻来克服这一问题。图3示出了 温度补偿式热敏电阻传感器的电路。这种传感器要求包括两个自动平稳电桥和依据加到检测热敏电阻和补偿热敏电 阻上的偏置信号来取得功率读数的电路的专用功率计。图4给出了这种功率计的详细框图。图4带有温度补偿式热敏电阻功率计原理框图（N432A ）将加到射频电桥上的偏置功率相关于加到补偿电桥上的功率进行比拟，射频功率由下式给出：Prf=（VcA2-VrfA2）/4R式中，Prf为射频功率；Vc为加到补偿电桥上的电压；Vrf为加到射频电桥上的电压；R为热敏电阻传感器在平稳 时的电阻。功率计
8、包括一个在通Vc与Vrf之和成正比的时期内闭合的电子开关，从而在仪表测量部件M中形成电流流动, 其大小通Vc与Vrf之差成正比。通过仪表的电流的平均值计算式，不加射频功率时，Vc=Vrf ,那个条件在利用者 启动自动调零电路时便能取得。现代热敏电阻功率计提供10mW-luW输入功率范围的测量能力（40dB）,并可提 供能工作在1OOKHZ1OOOGHZ频率范围内不同波段的传感器。热敏电阻传感器曾经普遍用于一样用途的功率测量，但它们已被能提供更佳性能的其他功率检测方式取代。此刻 的要紧用途是功率计和传感器的校准。2 .热电偶功率传感器和功率计工程师十分希望功率传感器具有宽动态范围、低漂移和小驻波
9、比，且一台仪器能够容纳宽的频率范围。利用热 电偶的功率传感器便能知足这些要求。两种相异导体的连接形成一对热电偶结，这些结两头存在的任何温度梯度将产生电压。功率传感器的热电偶结 构被设计成包括一个耗散大部份外加功率的电阻器。电阻器的的温度升高，在附件的热电偶结两头便形成温度梯度, 从而产生与功率成正比的电压。两组这种结构事实上能够如此取向，使由电阻器耗散的功率产生的温升引发两个热 电偶结构产生相加的温差电压，而由环境温度转变产生的温度梯度那么引发相抵消的温差电压，因此将零读数的漂 移减至最小。该电阻器的阻值被设计成为传输线提供良好匹配的终端。功率传感器中利用的热电偶元件可能由金、（n）型硅和氮化
10、徂电阻材料组成，而薄膜结构那么提供工作在超过 40GHz频率上所需的小尺寸和周密几何形状。图5是利用这些技术的热电偶传感器的示用意。RFPower图5热电偶功率计原理简图热电偶的灵敏度能够借助其直流输出电压的幅度相关于传感器耗散的射频功率的大小来讲明。典型灵敏度约为160uV/mW，低达的功率电平能够用这种传感器进行测量。必需测量的直流电压可能低达，因此功率计内部的放大器必需提供高增益。重要的是，这些放大器不能添加到待测微伏电压上或从中减去的任何附加直流偏置。图6所示的斩波输入放大器和同步检波器能够知足那个要求。斩波器用方波驱动信号进行工作，它直接将交流耦 合放大器的输入电容器转接传感器的输出
11、端或转接到地。输入电容器由直流输入电压充电并由接地放电，因此到放 大器的输入信号变成幅度正比于传感器输出的方波。交流耦合放大器具有足够高的增益，产生数伏的输出方波且不 包括偏置电压。同步检波器靠与斩波器一样相同信号工作的另一个开关，它将放大器输出与RC (电阻器)滤波器 相连或将滤波器输入接地。由于输出转接与输入斩波器同步，故滤波电容器由输入直流电压产生的方波的同一半周 期充电。滤波器的输出是很容易加以处置和显示的直流电压。图6斩波输入放大器和同步检波器图7是整个功率计的结构框图。斩波器和输入放大器的一部份包括在传感器中，因此电平相当高的信号被传送至 功率计，在此，信号经放大，由同步检波器变回
12、到直流，再由仪表显示。在利用热电偶传感器的数字式功率计或基 于微处置器的功率计中也存在类似电路。现代热电偶式功率计提供在lOOmW到luW ( 50dB)输入功率范围的功率测量能力。大多数热电偶式功率计都提供了具有已校输出功率的周密参考源，它用于调剂系统的增益，以补偿热电偶不同元 件之间灵敏度的转变。每当将不同的传感器与功率计相连时，利用者进行这一调剂，这一进程能够简单到将传感器与参考源相连并按动相应按钮。Power sensorPower sensorPovver meter图7热电偶功率计原理框图3 .二极管功率传感器和功率计利用半导体二极管作为检波元件有可能测量极低的功率电平。图8示出了
13、二极管传感器的最简单形式。能够看出， 它包括隔直流电容器，终端电阻器，二极管和射频旁路电容器。流过二极管的电流是负载电阻器两头显现的外加电 压的非线性函数。某些二极管在很低的外加电压（mV级）下将传导显著电流（uA级），但仍然存在非线性关系， 并引发遵循外加电压平方（即平方律响应）的整流输出，因此服从幕次关系。图9给出的数听说明，工作在平方律 区域时，检测二极管的输出直接效仿输入功率转变。由于检波机理服从曷次关系，故平方律二极管传感器将指示复 合波形总功率的正确值。图8二极管功率传感器的检波电路为了保证二极管对信号功率起响应，某些功率传感器设计将测量范围限制在平方律区域之内。这种传感器能测 量
14、低达（-70dBm）的功率电平，且它们将完成与外加信号的波形无关的精准功率测量。平方律工作的可用动态范围 约50dB ,因此平方律二极管能够利用与热电偶传感器相同的功率计。将二极管传感器的工作向更高功率电率10-；00mW）扩展的功率计可能提供具有很宽动态范置70dB或更大） 的测量能力，但在高于10uW量程上取得的读数只适用于持续波（CW ）正弦信号。在高功率电平上，二极管的工 作类似于对外加电压的峰值起响应的线性检波器。图9说明，为了产生100:1的功率转变，需要二极管的输出指示 10:1的电压转变。在那个工作范围，二极管传感器的输出在变成功率指示之前，必需进行平方。利用工作在线性范围的二
15、极管传感器的功率计包括有将二极管的输出电压进行平方的装置，给出与持续波正弦信 号的功率相对应的读数。用于测量持续波信号的平均功率的功率计不能精准测量带有任何幅度调制形式的信号的功 率。那个问题的解决方法是降低信号幅度，直到二极管工作在二极管对总功率起响应的平方律区域。出雯美舞p篇前史学密一100：1功率图9二极管功率传感器的输出电压随输入功率的转变传感器工作在线性范围时，载频的谐波可能带来显著的测量误差。例如，假设谐波比基波低20dB（10%的谐波电 压），便会造成总信号功率的1%的阻碍。具有平方律响应的传感器将指示总功率的正确值。谐波电压可能加到基 波的峰值电压上或从中减去，因此线性检波器可能具有在无失真信号电压的90%与倍之间转变的输出。由于传感器 的输出随后被平方，故指示功率可能比真值高20%或低20%。实际峰值电压取决于基波与谐波的相位关系，因此， 没有修正那个误差的方式。图10所示的全波检波器对峰峰电压进行检测，只有当信号包括奇次谐波时才增添显著 的误差。