第三章便攜式功率分析儀硬件設(shè)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(fù)載，由它把吸收的微波功率轉(zhuǎn)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。通過式接法是按已知比例從主傳輸線上耦合出部分功率來測量主傳輸線所接負(fù)載吸收的凈功率，或用來監(jiān)測主傳輸線上傳輸功率的情況。

功率方程是功率測量線路中正確分析待測功率值的基礎(chǔ)。將功率探頭接到待測功率源的輸出端T面，T面相當(dāng)于由一段特性阻抗Zo的無耗傳輸線相連接。當(dāng)源端和負(fù)載端阻抗都本等于Zo時，設(shè)T面上的源和負(fù)載的反射系數(shù)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，實際上是要求測量功率源向無反射負(fù)載的輸出功率P o，只有當(dāng)終端式功率計的ΓL=0時，才能準(zhǔn)確測出P o。(不管|Γg|是否為零)。只有|Γg|也同時為零時，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(shù)與待測源反射系數(shù)共扼匹配)。可見，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(jù)靈敏度、精確度的不同，而使探頭的結(jié)構(gòu)和指示電路的繁簡程度也不相同，種類繁多。

功率探頭的基本功能是把待測微波功率轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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)過定度，使其讀數(shù)直接表示微波功率值。它一般包括變換放大解調(diào)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(shù)字指示電路。最簡單的功率指示電路也可以不用變換放大解調(diào)，而直接指示可測電信號。如常用的晶體檢波器，在連續(xù)波工作時，它輸出的可測電信號是直流電壓(或電流)、若這個電壓(或電流)足夠大，就可直接由數(shù)字電壓表或微安表頭指示。

3.1.1現(xiàn)代射頻脈沖功率測量方法

微波脈沖設(shè)備在現(xiàn)代電子設(shè)備及電子武器中占有重要地位。例如雷達(dá)、數(shù)字通信系統(tǒng)和電磁導(dǎo)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(shè)備，作為高功率微波武器。對這種高功率短脈沖微波信號，無論是研究它對電子設(shè)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，由于耦合元件過渡歷程的影響，使通過式擴(kuò)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，功率就是單位時間內(nèi)，在電阻上產(chǎn)生的熱量。而脈沖峰值功率是指出現(xiàn)脈沖功率最大值的載波周期內(nèi)的平均功率，而脈沖功率是指在一個脈沖持續(xù)時間內(nèi)的平均功率。調(diào)制信號的平均功率P AV定義為，在許多個周期內(nèi)取平均的功率，其表達(dá)式為：

式中T 0——載波信號周期;

n——載波信號周期數(shù);

p(t)——功率瞬時值。

脈沖功率P p定義為，在一個脈沖持續(xù)時間τ內(nèi)取平均的功率，其表達(dá)式為：

式中，τ是脈沖寬度。

脈沖峰值功率P pp定義為脈沖調(diào)制峰值處的射頻平均功率，其表達(dá)式為：

式中，p V是調(diào)制脈沖在恒定負(fù)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(diào)制波形均系指矩形調(diào)制脈沖。

依據(jù)以上理論，現(xiàn)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(zhuǎn)換成熱能來測量。負(fù)載吸收功率，使之轉(zhuǎn)換成熱能，從而量熱體溫度上升，檢測其溫差熱電勢，根據(jù)功率和熱電勢間的關(guān)系來確定被測功率。

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(zhǔn)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(zhǔn)確度的電橋來單獨(dú)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，以此來測定功率。這些使用熱效應(yīng)法的功率計因為其受溫度影響很大，所以結(jié)構(gòu)和測試技術(shù)復(fù)雜，對環(huán)境溫度和測試設(shè)備要求苛刻。

以上這些功率計是熱效應(yīng)功率計，諾加熱敏電阻、鎮(zhèn)流電阻和熱偶等熱效應(yīng)微波傳感器，它們的熱學(xué)時間常數(shù)較大。當(dāng)被測信號是周期性脈沖時，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(wěn)定狀態(tài)下，這種熱效應(yīng)功率計的讀數(shù)，只能表示該射頻脈沖在重復(fù)周期內(nèi)的平均功率，由此可見并不能滿足射頻微波方向的應(yīng)用。迄今，其響應(yīng)速度能真實地跟上脈沖調(diào)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。