淺析功率計(jì)和功率傳感器工作原理

功率計(jì)由功率傳感器和功率指示器兩部分組成。功率傳感器也稱功率計(jì)探頭，它把高頻電信號(hào)通過(guò)能量轉(zhuǎn)換為可以直接檢測(cè)的電信號(hào)。功率指示器包括信號(hào)放大、變換和顯示器。顯示器直接顯示功率值。功率傳感器和功率指示器之間用電纜連接。為了適應(yīng)不同頻率、不同功率電平和不同傳輸線結(jié)構(gòu)的需要，一臺(tái)功率計(jì)要配若干個(gè)不同功能的功率計(jì)探頭。

圖1 ?功率測(cè)量?jī)x器的組成

按功率傳感器技術(shù)類型，可把功率計(jì)分為3類：熱敏電阻型功率計(jì)，熱電偶型功率計(jì)和晶體檢波式功率計(jì)。

熱敏電阻型功率計(jì)使用熱敏電阻做功率傳感元件。熱敏電阻值的溫度系數(shù)較大，被測(cè)信號(hào)的功率被熱敏電阻吸收后產(chǎn)生熱量，使其自身溫度升高，電阻值發(fā)生顯著變化，利用電阻電橋測(cè)量電阻值的變化，顯示功率值。

熱電偶型功率計(jì)則是利用熱電偶型功率計(jì)中的熱偶結(jié)直接吸收高頻信號(hào)功率，結(jié)點(diǎn)溫度升高，產(chǎn)生溫差電勢(shì)，電勢(shì)的大小正比于吸收的高頻功率值，進(jìn)行功率測(cè)量。

晶體檢波式功率計(jì)使用晶體二極管檢波器將高頻信號(hào)變換為低頻或直流電信號(hào)。適當(dāng)選擇工作點(diǎn)，使檢波器輸出信號(hào)的幅度正比于高頻信號(hào)的功率。

1.熱敏電阻功率傳感器和功率計(jì)

熱敏電阻是一種由金屬氧化物的化合物制成的電阻器，隨溫度呈現(xiàn)大的電阻變化。若將熱敏電阻用于形成功率傳感器的終端，則它的電阻將隨外加功率引起的溫升而變。

圖2說(shuō)明了熱敏電阻功率計(jì)的基本原理。圖2（a）的電路表明對(duì)于射頻輸入端上出現(xiàn)的信號(hào)，兩個(gè)熱敏電阻如何被布置成并聯(lián)以及如何與功率計(jì)相串聯(lián)。功率計(jì)的連接跨接在射頻旁路電容器兩端，以避免熱敏電阻那邊的射頻泄露。

圖2 熱敏電阻功率計(jì)的基本工作原理（（a)熱敏電阻功率傳感器；（b）自動(dòng)平衡電橋）

功率計(jì)利用稱為自動(dòng)平衡電橋的電路，該電路提供將熱敏電阻阻值RT維持恒定在R值上的直流偏置功率。若熱敏電阻上的射頻功率增加，則電橋使偏置功率減小一個(gè)相類似的量。射頻功率降低則引起電橋增加偏置功率，使熱敏電阻維持恒定的電阻。功率計(jì)內(nèi)的輔助電路對(duì)直流功率的這個(gè)變化進(jìn)行處理，以獲得功率讀數(shù)。

圖3 ?溫度補(bǔ)償式熱敏電阻傳感器

熱敏電阻的阻值隨環(huán)境溫度以及射頻和直流功率而變，所以溫度的任何變化都會(huì)引起功率讀數(shù)變化?，F(xiàn)代熱敏電阻功率傳感器通過(guò)利用與射頻檢測(cè)熱敏電阻有熱聯(lián)系但電氣上相隔離的第二組熱敏電阻來(lái)克服這一問(wèn)題。圖3示出了溫度補(bǔ)償式熱敏電阻傳感器的電路。這類傳感器要求包含兩個(gè)自動(dòng)平衡電橋以及依據(jù)加到檢測(cè)熱敏電阻和補(bǔ)償熱敏電阻上的偏置信號(hào)來(lái)獲得功率讀數(shù)的電路的專用功率計(jì)。圖4給出了這類功率計(jì)的詳細(xì)框圖。

圖4??帶有溫度補(bǔ)償式熱敏電阻功率計(jì)原理框圖（N432A）

將加到射頻電橋上的偏置功率相對(duì)于加到補(bǔ)償電橋上的功率進(jìn)行比較，射頻功率由下式給出：

Prf=(Vc^2-Vrf^2)/4R

式中，Prf為射頻功率；Vc為加到補(bǔ)償電橋上的電壓；Vrf為加到射頻電橋上的電壓；R為熱敏電阻傳感器在平衡時(shí)的電阻。

功率計(jì)包含一個(gè)在通Vc與Vrf之和成正比的時(shí)期內(nèi)閉合的電子開(kāi)關(guān)，從而在儀表測(cè)量部件M中形成電流流動(dòng)，其大小通Vc與Vrf之差成正比。通過(guò)儀表的電流的平均值計(jì)算式，不加射頻功率時(shí)，Vc=Vrf，這個(gè)條件在使用者啟動(dòng)自動(dòng)調(diào)零電路時(shí)便能得到?，F(xiàn)代熱敏電阻功率計(jì)提供10mW---1uW輸入功率范圍的測(cè)量能力（40dB),并可提供能工作在100KHZ---1000GHZ頻率范圍內(nèi)不同波段的傳感器。

熱敏電阻傳感器曾經(jīng)廣泛用于一般用途的功率測(cè)量，但它們已被能提供更佳性能的其他功率檢測(cè)方法取代。現(xiàn)在的主要用途是功率計(jì)和傳感器的校準(zhǔn)。

2.熱電偶功率傳感器和功率計(jì)

工程師十分希望功率傳感器具有寬動(dòng)態(tài)范圍、低漂移和小駐波比，且一臺(tái)儀器能夠容納寬的頻率范圍。利用熱電偶的功率傳感器便能滿足這些要求。

兩種相異導(dǎo)體的連接形成一對(duì)熱電偶結(jié)，這些結(jié)兩端存在的任何溫度梯度將產(chǎn)生電壓。功率傳感器的熱電偶結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成包括一個(gè)耗散大部分外加功率的電阻器。電阻器的的溫度升高，在附件的熱電偶結(jié)兩端便形成溫度梯度，從而產(chǎn)生與功率成正比的電壓。兩組這類結(jié)構(gòu)實(shí)際上可以這樣取向，使由電阻器耗散的功率產(chǎn)生的溫升引起兩個(gè)熱電偶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相加的溫差電壓，而由環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的溫度梯度則引起相抵消的溫差電壓，因而將零讀數(shù)的漂移減至最小。該電阻器的阻值被設(shè)計(jì)成為傳輸線提供良好匹配的終端。

功率傳感器中使用的熱電偶元件可能由金、（n)型硅和氮化鉭電阻材料構(gòu)成，而薄膜結(jié)構(gòu)則提供工作在超過(guò)40GHz頻率上所需的小尺寸和精密幾何形狀。圖5是利用這些技術(shù)的熱電偶傳感器的示意圖。

圖5??熱電偶功率計(jì)原理簡(jiǎn)圖

熱電偶的靈敏度可以借助其直流輸出電壓的幅度相對(duì)于傳感器耗散的射頻功率的大小來(lái)說(shuō)明。典型靈敏度約為160uV/mW，低達(dá)1.0uW的功率電平可以用這類傳感器進(jìn)行測(cè)量。必須測(cè)量的直流電壓可能低達(dá)0.16uV，所以功率計(jì)內(nèi)部的放大器必須提供高增益。重要的是，這些放大器不能添加到待測(cè)微伏電壓上或從中減去的任何附加直流偏置。

圖6所示的斬波輸入放大器和同步檢波器能夠滿足這個(gè)要求。斬波器用方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行工作，它直接將交流耦合放大器的輸入電容器轉(zhuǎn)接傳感器的輸出端或者轉(zhuǎn)接到地。輸入電容器由直流輸入電壓充電并由接地放電，所以到放大器的輸入信號(hào)變成幅度正比于傳感器輸出的方波。交流耦合放大器具有足夠高的增益，產(chǎn)生數(shù)伏的輸出方波且不包含偏置電壓。同步檢波器靠與斬波器一樣相同信號(hào)工作的另一個(gè)開(kāi)關(guān)，它將放大器輸出與RC（電阻器）濾波器相連或?qū)V波器輸入接地。由于輸出轉(zhuǎn)接與輸入斬波器同步，故濾波電容器由輸入直流電壓產(chǎn)生的方波的同一半周期充電。濾波器的輸出是很容易加以處理和顯示的直流電壓。

圖6??斬波輸入放大器和同步檢波器

圖7是整個(gè)功率計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖。斬波器和輸入放大器的一部分包含在傳感器中，所以電平相當(dāng)高的信號(hào)被傳送至功率計(jì)，在此，信號(hào)經(jīng)放大，由同步檢波器變回到直流，再由儀表顯示。在利用熱電偶傳感器的數(shù)字式功率計(jì)或基于微處理器的功率計(jì)中也存在類似電路?，F(xiàn)代熱電偶式功率計(jì)提供在100mW到1uW（50dB)輸入功率范圍的功率測(cè)量能力。

大多數(shù)熱電偶式功率計(jì)都提供了具有已校輸出功率的精密參考源，它用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的增益，以補(bǔ)償熱電偶不同元件之間靈敏度的變化。每當(dāng)將不同的傳感器與功率計(jì)相連時(shí)，使用者進(jìn)行這一調(diào)節(jié)，這一過(guò)程可以簡(jiǎn)單到將傳感器與參考源相連并按動(dòng)相應(yīng)按鈕。?

圖7 ?熱電偶功率計(jì)原理框圖?

3.二極管功率傳感器和功率計(jì)

利用半導(dǎo)體二極管作為檢波元件有可能測(cè)量極低的功率電平。圖8示出了二極管傳感器的最簡(jiǎn)單形式?？梢钥闯觯糁绷麟娙萜?，終端電阻器，二極管和射頻旁路電容器。流過(guò)二極管的電流是負(fù)載電阻器兩端出現(xiàn)的外加電壓的非線性函數(shù)。某些二極管在很低的外加電壓（mV級(jí)）下將傳導(dǎo)顯著電流（uA級(jí))，但仍然存在非線性關(guān)系，并引起遵循外加電壓平方（即平方律響應(yīng)）的整流輸出，因而服從冪次關(guān)系。圖9給出的數(shù)據(jù)說(shuō)明，工作在平方律區(qū)域時(shí)，檢測(cè)二極管的輸出直接效仿輸入功率變化。由于檢波機(jī)理服從冪次關(guān)系，故平方律二極管傳感器將指示復(fù)合波形總功率的正確值。

圖8???二極管功率傳感器的檢波電路

為了保證二極管對(duì)信號(hào)功率起響應(yīng)，某些功率傳感器設(shè)計(jì)將測(cè)量范圍限制在平方律區(qū)域以內(nèi)。這類傳感器能測(cè)量低達(dá)0.1nW(-70dBm)的功率電平，且它們將完成與外加信號(hào)的波形無(wú)關(guān)的精確功率測(cè)量。平方律工作的可用動(dòng)態(tài)范圍約50dB，所以平方律二極管可以使用與熱電偶傳感器相同的功率計(jì)。

將二極管傳感器的工作向更高功率電平（10---100mW)擴(kuò)展的功率計(jì)可能提供具有很寬動(dòng)態(tài)范圍（70dB或更大）的測(cè)量能力，但在高于10uW量程上獲得的讀數(shù)只適用于連續(xù)波（CW）正弦信號(hào)。在高功率電平上，二極管的工作類似于對(duì)外加電壓的峰值起響應(yīng)的線性檢波器。圖9表明，為了產(chǎn)生100:1的功率變化，需要二極管的輸出指示10:1的電壓變化。在這個(gè)工作范圍，二極管傳感器的輸出在變成功率指示之前，必須進(jìn)行平方。

利用工作在線性范圍的二極管傳感器的功率計(jì)包含有將二極管的輸出電壓進(jìn)行平方的裝置，給出與連續(xù)波正弦信號(hào)的功率相對(duì)應(yīng)的讀數(shù)。用于測(cè)量連續(xù)波信號(hào)的平均功率的功率計(jì)不能精確測(cè)量帶有任何幅度調(diào)制形式的信號(hào)的功率。這個(gè)問(wèn)題的解決辦法是降低信號(hào)幅度，直到二極管工作在二極管對(duì)總功率起響應(yīng)的平方律區(qū)域。

圖9???二極管功率傳感器的輸出電壓隨輸入功率的變化

傳感器工作在線性范圍時(shí)，載頻的諧波可能帶來(lái)顯著的測(cè)量誤差。例如，若諧波比基波低20dB(10%的諧波電壓），便會(huì)造成總信號(hào)功率的1%的影響。具有平方律響應(yīng)的傳感器將指示總功率的正確值。諧波電壓可能加到基波的峰值電壓上或從中減去，所以線性檢波器可能具有在無(wú)失真信號(hào)電壓的90%與1.1倍之間變化的輸出。由于傳感器的輸出隨后被平方，故指示功率可能比真值高20%或低20%。實(shí)際峰值電壓取決于基波與諧波的相位關(guān)系，所以，沒(méi)有修正這個(gè)誤差的方法。圖10所示的全波檢波器對(duì)峰峰電壓進(jìn)行檢測(cè)，只有當(dāng)信號(hào)包含奇次諧波時(shí)才增添顯著的誤差。

圖10??用于二極管功率傳感器的全波檢波器

圖11是二極管功率計(jì)的完整結(jié)構(gòu)框圖。傳感器用全波檢波器的二極管傳感器，功率計(jì)結(jié)構(gòu)與熱電偶類似。

圖11???二極管功率傳感器和功率計(jì)原理框圖

4.峰值功率傳感器和功率計(jì)

一些專用功率計(jì)可以用于測(cè)量脈沖調(diào)制信號(hào)，它們往往包括與示波器相似的顯示器，以給出測(cè)得的結(jié)果隨時(shí)間的變化。檢測(cè)元件通常設(shè)計(jì)成具有快速輸出響應(yīng)時(shí)間的二極管。這類傳感器的輸出精確地仿效已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)，而與這類傳感器配用的功率計(jì)則兼具連續(xù)波功率計(jì)和示波器的特性。如下圖所示。

圖12???峰值功率計(jì)原理簡(jiǎn)圖

圖8給出了具體儀器的原理框圖。峰值功率計(jì)可以測(cè)試平均功率和峰值功率，所以傳感器也有兩個(gè)通道。功率計(jì)則更象示波器，直接高速采樣，測(cè)量檢波后的波形。

圖13 ??峰值和平均值功率傳感器和功率計(jì)原理框圖