微波功率计课件

微波信号功率测量微波信号功率测量l l为什么要测量功率？为什么要测量功率？l l功率测量单位和方法功率测量单位和方法l l功率计测量功率的优点功率计测量功率的优点l l传感器传感器类型及其特点类型及其特点 l l平均功率测量平均功率测量l l峰值功率测量峰值功率测量时间门功率测量微波功率计的主要时间门功率测量微波功率计的主要技术指标技术指标微波功率测量误差分析微波功率测量误差分析微波功率计测量原理为什么要测量功率？微波功率计测量原理功率是一个表征能量传输的参数。低频时很容易测量电压（或电流）功率是一个表征能量传输的参数。低频时很容易测量电压（或电流）VRL-+ZS但在高频时，沿传输线有不同的电压和电流，但功率始终保持常数值。但在高频时，沿传输线有不同的电压和电流，但功率始终保持常数值。为什么要测量功率？系统的功率输出是衡量系统性能的关键指标。对于大多数射频微波系统，系统的功率输出是衡量系统性能的关键指标。对于大多数射频微波系统，围绕功率的评价贯穿于系统的设计、制造直至进入商业领域流通的整个过程。围绕功率的评价贯穿于系统的设计、制造直至进入商业领域流通的整个过程。pp测量雷达发射机功率可以确定该雷达的作用距离；测量雷达发射机功率可以确定该雷达的作用距离；pp测量通信系统中功放的发射功率可以确定覆盖地域；测量通信系统中功放的发射功率可以确定覆盖地域；pp振荡源的输出功率、接收机的灵敏度、放大器的增益、无源器件的损耗振荡源的输出功率、接收机的灵敏度、放大器的增益、无源器件的损耗功率是一个表征能量传输的参数。低频时很容易测量电压（或电流）一般需要测量绝对功率或相对功率，一般需要测量绝对功率或相对功率，通常我们使用绝对功率测量，但当在比较通常我们使用绝对功率测量，但当在比较两个功率的增益或损耗时，我们可用相对两个功率的增益或损耗时，我们可用相对功率进行测量，此时的单位为功率进行测量，此时的单位为dBdB。绝对功率的单位：绝对功率的单位：线性单位：线性单位：WW、mWmW、V V、uVuV、对数单位：对数单位：dBmdBm、dBuVdBuV、P PdBmdBm=10log P=10log Pmwmw一个简单一个简单规则规则规则规则是每是每3dBm3dBm功率加倍，每功率加倍，每-3dBm3dBm功率减半。每功率减半。每10dBm10dBm为为1010倍，每倍，每10dBm10dBm为为1/101/10。例如：例如：+36dBm+36dBm是多少？是多少？让我们由让我们由0dBm0dBm开始，我们已经开始，我们已经知道它是知道它是1mW1mW。+30dBm+30dBm将是将是1mW*10*10*101mW*10*10*10，即即1W1W。3030+6dBm+6dBm是是1W*2*21W*2*2，因此最后结果是因此最后结果是4W4W功率测量单位一般的功率划分：一般的功率划分：小功率：小功率：100mW10W10W 一般需要测量绝对功率或相对功率，通常我们使用绝CWCW信号信号信号信号调制信号调制信号调制信号调制信号在整个调制周期上作平均在整个调制周期上作平均在整个调制周期上作平均在整个调制周期上作平均在整个调制周期上作平均在整个调制周期上作平均在整个调制周期上作平均在整个调制周期上作平均脉冲信号脉冲信号脉冲信号脉冲信号平均功和峰值功率测量随着脉冲高功率微波技术的发展，微波脉冲设备在现代电子设备及电子武器中占随着脉冲高功率微波技术的发展，微波脉冲设备在现代电子设备及电子武器中占有重要地位。例如雷达系统、导航系统、数字通信系统和电磁导弹、核武器的发射器有重要地位。例如雷达系统、导航系统、数字通信系统和电磁导弹、核武器的发射器等，都需测量其脉冲峰值功率。等，都需测量其脉冲峰值功率。如果知道特定的波形信息，有时能从平均功率测量计如果知道特定的波形信息，有时能从平均功率测量计如果知道特定的波形信息，有时能从平均功率测量计如果知道特定的波形信息，有时能从平均功率测量计算其它波形信息。算其它波形信息。算其它波形信息。算其它波形信息。例如，如果知道脉冲信号的占空比，就可从平均功率测量确定峰值例如，如果知道脉冲信号的占空比，就可从平均功率测量确定峰值功率。功率。CW信号调制信号在整个调制周期上作平均在整个调制周期上作平均利用功率计的各种触发特性，如外利用功率计的各种触发特性，如外部部TTLTTL兼容触发输入、内部（电平）兼容触发输入、内部（电平）和和GPIBGPIB触发，以及进行多个同时的时触发，以及进行多个同时的时间选通测量。可设置单独的开始（选间选通测量。可设置单独的开始（选通开始）和持续时间（闸门长度），通开始）和持续时间（闸门长度），用户在规定的时间周期上能测量平均用户在规定的时间周期上能测量平均功率、峰值功率或峰均比。功率、峰值功率或峰均比。门开始门开始门限长度门限长度时间门的峰值功率测量 利用功率计的各种触发特性，如外部TTL兼容触发输可以使用哪些仪器测量功率？可以使用哪些仪器测量功率？可以使用哪些仪器测量功率？可以使用哪些仪器测量功率？虽然有多种能够测量功率的仪器，但最虽然有多种能够测量功率的仪器，但最精确的仪器是功率计。精确的仪器是功率计。仪器间的主要区别之一是仪器间的主要区别之一是选频测量选频测量选频测量选频测量不是选频测量是功率计不能测量很低功率的原因，大约只能到不是选频测量是功率计不能测量很低功率的原因，大约只能到-70dBm-70dBm，而频谱，而频谱分析仪这类仪器如果使用很窄的分辨率带宽，就能测量非常低的功率。分析仪这类仪器如果使用很窄的分辨率带宽，就能测量非常低的功率。uu频谱分析仪频谱分析仪uu网络分析仪网络分析仪uu矢量信号分析仪矢量信号分析仪uu功率计功率计功率计功率计功率测量方法功率计精度4.5%(0.2dB)频谱分析仪精度25%(1.3dB)网络分析仪精度12%(0.5dB)可以使用哪些仪器测量功率？虽然有多种能够测量功率的仪器，传感器类型：传感器类型：传感器类型：传感器类型：吸收式吸收式(热敏式传感器)热敏电阻热电偶、热电堆整流检波式整流检波式(二极管式)单二极管 双二极管多二极管进入传感器进入传感器进入传感器进入传感器的的的的 RF RF 功率功率功率功率功率传感器功率传感器功率传感器功率传感器功率计功率计功率计功率计显示显示显示显示DCDC或低频或低频或低频或低频交流电压！交流电压！交流电压！交流电压！功率计测量原理ADCDSPCPU显示GPIBI/OADC时钟转换信号处理(校准因子，线性处理等)系统控制2通道功率计传感器类型：进入传感器的 RF 功率功率传感器功率计显示DC热电偶式传感器若将热偶的热结点置于高频或微波电磁场中，热偶会吸收RF/微波信号，热结点的温度便上升，并产生与输入功率成正比的热电势。用此热电偶检测出温度差，则温差电势便可以作为吸收功率的量度。特点：特点：动态范围较低（50dB左右），测量速度较慢，结构简单测量速度较慢，结构简单，制造成本低，应用广泛金属金属#1V+V-金属金属#2能产生显著热电势的那一对金属称为热电偶。热电偶是利用席贝克效应席贝克效应席贝克效应席贝克效应将热能转换为电势热能转换为电势热能转换为电势热能转换为电势的装置。席贝克效应（也称热电效应）：当两种不同金属的结点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，其大小与冷热的温差成正比。热效应功率传感器，如热敏电阻、热电偶等，其热学时间常数都比矩形脉冲宽度大得多，其响应跟不上脉冲包络的变化，故不能显示脉冲峰值的功率，只能显示稳态时射频中重复周期内的平均功率。热电偶式传感器若将热偶的热结点置于高频或微波电磁场中，热二极管式传感器在微波测量中，二极管是一种最常用的信号检波器，经常用它作为信号电平的指示器。二极管通过其非线性的电流电压特性将高频能量转换成直流。RMS 响应响应DC 二极管曲线二极管曲线vi-70-60-50-40-30-20-1001020非平方率非平方率平方率平方率功率输入,dBm RF 二极管曲线二极管曲线 起整流作用的是二阶项和偶数阶项起整流作用的是二阶项和偶数阶项起整流作用的是二阶项和偶数阶项起整流作用的是二阶项和偶数阶项。对于小信号，二阶项起主要作用，因此，二极管常工作在平方率区域，二极管的输出电流（或电压）与输入电压的平方成正比。当输入电压很大，以至于四阶项或更高阶项起主要作用，这时二极管工作的区域成为过渡区域。在过渡区域上的是线性区域。旁路电容器作为一旁路电容器作为一个低通滤波器用于个低通滤波器用于去除任何通过二极去除任何通过二极管的管的RFRF信号信号包络检测包络检测Is 反向饱和电流反向饱和电流二极管式传感器在微波测量中，二极管是一种最常用的信号检波二极管的平方律区二极管的平方律区二极管的平方律区二极管的平方律区0.01 mW-70dBmVO线性区线性区线性区线性区dBm0.1 nW-20dBmPIN本底噪声本底噪声本底噪声本底噪声约约约约50nv50nv二极管式传感器优点快速响应快速响应90dB 动态范围动态范围真正RMS仅在“平方率”区域(-70dBmto-25dBm)在线性区可以使用“调制平均”方式，计算RMS功率。条件是调制带宽要小于传感器的视频带宽缺点如果调制带宽大于传感器的视频带宽，则不能在非平方率区域测量RMS功率(-25dBm)。至今，能跟上脉冲调制响应的功率传感器主要是晶体二极管（低功率）和真空二极管（高功率），也只适用于周期重复脉冲，不适用于单次微波脉冲的峰值功率或脉冲内总能量的测量。二极管的平方律区0.01 mW-70dBmVO线性区dBm0扩展小功率计量程法定向耦合器法定向耦合器法该方法是利用小功率计作标准，并与定向耦合器相连接，组合成通过式功率计来测量中、大功率。衰减器法衰减器法衰减器法是利用小功率计作标准与高功率衰减器组合扩展量程来测量中、大功率。微波功率计配上合适的大功率衰减器，普遍应用于大功率微波信号测量。设定向耦合器的耦合度为C(dB)，方向性为无穷大，标准衰减器两端匹配时，其衰减量为A(dB)，小功率计的观测值为，终端负载的驻波比为1，则功源的输出功率为扩展小功率计量程法定向耦合器法衰减器法设定向耦合器的耦合度为 频率范围频率范围频率范围频率范围满足各项指标，功率计可靠工作的频率覆盖范围主要取决于功率探头 功率测量范围功率测量范围功率测量范围功率测量范围最小功率到最大功率的范围 校准源功率准确度校准源功率准确度校准源功率准确度校准源功率准确度输出0dBm的准确度 功率线性度功率线性度功率线性度功率线性度功率探头的线性度和功率计主机的线性度的合称、P1P2范围内的功率线性的误差值为：R1、R2为功率计测量的功率，P1、P2、R1、R2单位都为dBm 功率探头的阻抗匹配特性功率探头的阻抗匹配特性功率探头的阻抗匹配特性功率探头的阻抗匹配特性用反射系数、驻波比或者回波损耗来表示测量不确定性的一个重要来源功率计的技术指标频率范围功率计的技术指标功率参考不确定量功率参考不确定量仪器不定量仪器不定量+/-1读数读数稳零稳零零点残余零点残余噪声噪声漂移漂移功率测量不确定度来源功率参考不确定量仪器不定量+/-1 读数稳零零点残余噪声漂l l传感器及源阻抗失配误差传感器及源阻抗失配误差传感器及源阻抗失配误差传感器及源阻抗失配误差l l功率传感器本身造成的误差功率传感器本身造成的误差功率传感器本身造成的误差功率传感器本身造成的误差l l主机造成的误差主机造成的误差主机造成的误差主机造成的误差失配失配失配失配传感器误差传感器误差传感器误差传感器误差功率主机误差功率主机误差功率主机误差功率主机误差传感器和源阻抗失配通常造成最大的功率测量误差传感器和源阻抗失配通常造成最大的功率测量误差传感器和源阻抗失配通常造成最大的功率测量误差传感器和源阻抗失配通常造成最大的功率测量误差通过了解传感器和通过了解传感器和通过了解传感器和通过了解传感器和源的源的源的源的SWRSWR（驻波比）（驻波比）（驻波比）（驻波比），就能找到失配造，就能找到失配造，就能找到失配造，就能找到失配造成的不确定成的不确定成的不确定成的不确定功率测量误差来源传感器及源阻抗失配误差失配传感器误差功率主机误差传感器和源阻N1914A EPM 系列双通道功率计频率范围：9kHz至110GHz（取决于传感器）宽动态范围：-70至+44dBm（取决于传感器）速度：高达400读数/秒不仅可提供GPIB连通性，还可提供LANLXI-C和USB连通性增强型用户界面（采用高分辨率彩色显示屏）和数字小键盘更高的测量通道数：多达三个通道，使用可选的USB主机端口可连接另外两个U2000系列功率传感器利用可选的外部触发输入/触发输出特性自动进行频率/功率扫描测量主要特性与技术指标主要特性与技术指标 N1914A EPM 系列双通道功率计频率范围：9 kHz Agilent U2020系列功率传感器AgilentUSB功率传感器提供了功率计的峰值功率和平均功率测量能力，且外形紧凑，便于携带。通过即插即用的USB连通性，可以快速对功率传感器进行设置。特性：特性：测量峰值功率和平均功率频率范围：50MHz至40GHz（取决于传感器）广泛的峰值功率动态范围：-30至+20dBm（50dB）缓冲模式中高达2000个读数/秒的高测量速度内置触发输入/输出功能，无需使用外部模块或电源具有内部调零功能，无需进行外部校准U2020 X 系列 USB 峰值和平均功率传感器Agilent U2020系列功率传感器Agilent US