07章微波功率计

现代微波工程测量
7.2微波功率测量原理 7.2.1 功率的基本定义
对于连续波信号而言，平均功率、脉冲功率、峰值 包络功率都是一样的。 在所有的功率测量中，最常测量的是平均功率，对 于矩形脉冲信号而言，脉冲功率和峰值功率可由测 量的平均功率按已知的占空系数计算而得，也可由 峰值功率计、峰值分析仪测量而得。
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7.2微波功率测量原理 7.2.1 功率的基本定义
3.
峰值包络功率
现代先进雷达、电子对抗和导航系统的发展往往基 于复杂的脉冲调制和扩展频谱技术，同时要求更高 的功率测量精确度，脉冲功率的概念已不能完全满 足要求。 当脉冲为非矩形或者当波形的畸变不允许精确地确 定脉冲宽度f时，便导致了脉冲功率测试的困难，必 须引用另外一个概念，即峰值功率。
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7.2微波功率测量原理 7.2.2 功率测量的度量单位
7.2.2 功率测量的度量单位 “功率”是国际单位制（S1）中的导出单位。 表示功率大小的单位有线性度量单位和对数度量单 位两种。 线性度量单位常用单位为瓦特（ W）， 1 瓦特等于 1 焦耳 / 秒（ J/s ），瓦特加上十进制倍数或分数单位 的适当标准词头，可以派生出不同量级的吉瓦（ 1GW=109W ） 、 兆 瓦 （ 1 MW=106 W ） 、 千 瓦 （ 1 kW=103W）、瓦（W）、毫瓦（1 mW=10-3W）、微 瓦（1 pW=10-6 W）、纳瓦（l nW=10-9W）、皮瓦（l pW=l0-12W）等。
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7.2微波功率测量原理 7.2.2 功率测量的度量单位
在许多情况下，例如当测量增益或衰减时，经常需 要的量不是绝对功率，而是两个功率的比值，或者 说是相对功率。 相对功率是一个功率电平 P 对另外的参考电平 Pref 的 比值。 由于分子、分母的单位都是瓦特，因此比倌没有量 纲，相对功率通常以分贝（dB）表示，其定义为
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7.2微波功率测量原理 7.2.3 微波功率测量原理
7.2.3 微波功率测量原理 微波功率测量已经发展了60多年，微波功率测量方 法多种多样，微波功率测量实质是将信号功率转变 为某种易于测量的其他能量形式。 微波功率测量分为通过式和终端式两种测量方法。 通过式功率测量需要将通过式功率计连接在信号源 和负载之间，通过式功率计主要由定向耦合器、功 率探头和功率计三部分组成。 当输入端接功率源、输出端接负载时，定向耦合器 的旁臂耦合出被测功率的一部分，已知定向耦合器 的耦合度，功率计可按输入端的功率值进行刻度定 标。
第7章微波功率计
7.1微波功率计概述
功率是表征微波信号特性的一个重要参数，微波功 率测量技术随其应用范围的不同有很大区别，决定 微波功率测量的因素有很多，包括信号频率范围、 功率范围、功率电平、信号的频谱功率总量以及调 制形式等。 因此，只有深入了解未知信号及其频谱和调制成分 ，选择合适的功率探头及其功率计，才能获得准确 的功率测量精度。 在大约低于100 kHz的低频，通常是通过跨接在已知 阻抗上的电压来计算功率的。
式中， PAVG 为平均功率， T 是 v(t) 和 i(t) 最低频率分量 的周期。
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7.2微波功率测量原理 7.2.1 功率的基本定义
平均功率探头和功率计的平均时间一般为百分之几 秒到几秒，这种处理过程得到的是最常见的幅度调 制形式的能量平均。 2. 脉冲功率 脉冲功率是指能量在脉冲宽度上的平均。脉冲宽度 被定义为在上升时间/下降时间的50%幅度点之间的 时间。 数学表达式为: 脉冲功率将平均掉脉冲包络中过冲或振铃之类的任 何畸变，脉冲功率不等同于峰值功率或峰值脉冲功 率。
式中，P为平均功率，v(t)为瞬时电压，i(t)为瞬时电 流，T为信号的周期，n为周期数。
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7.2微波功率测量原理 7.2.1 功率的基本定义
如果被测信号的电压和电流是连续的正弦波（CW） ，那么其平均功率的表达式为 式中，P为平均功率，以瓦（W）为单位；V为电压 均方值； I 为电流均方值； θ 为信号电压和电流的相 位差。 在实际测量中，用于接收功率的功率传感器表现为 一个纯电阻负载，因此电压和电流的相位差为0，且 由于V=IR，所以上述公式变为
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7.2微波功率测量原理 7.2.2 功率测量的度量单位
采用dB有两个好处： ① 在通信和雷达系统中经常遇到相差数千、数百万倍 的功率范围，用dB表示可使数值变得紧凑； ② 在计算数个网络级联时的增益或插损时可用分贝的 加减来代替功率的乘除。 当式（7.9）中的Pref=1mW时，我们就得到了功率绝 对单位的另外一个对数度量单位 —— 分贝毫瓦（ dBm）： P 的单位为毫瓦（ mW ），那么 0 dBm 为 1 mW 、 10 dBm为10 mW、-3 dBm为0.5 mW。 dBm 加 上 适 当 标 准 词 头 ， 又 可 扩 展 为 dBW （ 1 dBW=30 dBm，dBμW (1 dBpW=-30 dBm）等。
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7.1微波功率计概述
同时，随着微波通信、雷达、宇航技术的发展，在 数字通信、数据信息传输、导航、雷达等系统中， 脉冲调制的射频脉冲技术得到了广泛的应用，因而 二极管式脉冲峰值功率计或峰值功率分析仪也成为 微波功率测量仪器的重要组成部分，得到了广泛应 用。 微波功率计广泛应用于无线电通信、雷达、电子对 抗、广播电视、微波医疗设备和微波加热等军用、 民用科研、生产、维护领域，对微波功率电平的精 确测量已成为现代微波测量中最重要的一环，微波 功率计是射频和微波领域最基本的测试仪器之一。
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7.1微波功率计概述
随着频率的升高，由于有驻波出现，阻抗会发生变 化，沿均匀传输线各部位的电压（或电流）常常不 相等，而传输功率则有确定数值，特别是在波导传 输中，电流和电压的定义失去唯一性，其测量更为 困难，因而功率测量成为更通行的测量方式。 几乎在所有射频和微波设备的设计中，功率测量是 其必不可少的一项工作。
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7.2微波功率测量原理 7.2.3 微波功率测量原理
有三种常用器件用于在终端式功率探头中传感平均 功率，这些器件是热敏电阻、热电偶和二极管检波 器。 本章将详细讨论上述每种功率传感器件及其相关的 测试仪器。 现代智能功率探头包括存储有探头型号、类型、校 准参数的 E2PROM 以及传感环境温度的温度传感器 等。 功率计包括放大器和相关处理电路,主要负责对功率 探头变换的信号进行处理，产生准确的功率读数。 通常，一个型号的功率计能够兼容不同类型、不同 频率范围、不同功率范围的系列功率探头。
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7.2微波功率测量原理 7.2.3 微波功率测量原理
图 7.3 和图 7.4 分别为单向通过式功率计和双向通过 式功率计的原理框图。 双向通过式功率计常用作反射计测量负载的反射系 数。
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7.2微波功率测量原理 7.2.3 微波功率测量原理
定向耦合器的耦合度会随频率变化,需要进行校准。 另外，定向耦合器的方向性和负载匹配对测试准确 度影响较大，需使用高方向性的定向耦合器和较小 反射系数的负载。 通过式功率计在通信、雷达、广播、电视等设备中 广泛应用于检测或监测功率电平。 终端式功率测量仪器主要包含功率探头和功率计两 个部分。 终端式功率计用功率探头接在信号传输线的终端， 接收和消耗功率，并产生一个直流或低频信号，该 信号经过特定形式的前置放大送入功率计测量通道 。
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7.2微波功率测量原理 7.2.1 功率的基本定义
1.
平均功率
“平均功率”几乎用来给所有低频、射频和微波系 统规定技术条件。 平均功率是指能量传送速率在所研究信号最低频率 的许多周期内平均。 对于连续波信号来说，最低频率和最高频率是相同 的，故平均功率和功率相同；对于调幅波来说，平 均功率是在信号调制分量的许多周期内加以平均
7.2微波功率测量原理
7.2.1 功率的基本定义 在功率测量中，功率常常被定义为一种在系统或系 统之间传递的能量之比。 功率的基本定义为单位时间中的能量，定义式如下 ：
式中，P为功率，E为能量，t为时间。
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7.2微波功率测量原理 7.2.1 功率的基本定义
电能到热能的转换以及监测由此产生的温度变化， 往往是很多功率测量技术的基础。 功率测量可根据式（7.1）得到：
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7.1微波功率计概述
此外，还有用其他物理效应进行功率测量的功率计 ，如二极管检波功率计。 几十年来，微波功率计的发展主要向着提高频率、 拓宽频段、扩大量程、提髙测量准确度、高速度及 小型化、智能化、模块化以及探头系列化的方向发 展。 基于微波半导体技术、计算机技术以及数字信号处 理技术的发展，功率检测器件的方式由最初的热敏 电阻式、热电偶式向二极管检波式的方向发展。 二极管式功率计具有动态范围大、测量速度快、测 量功能强等特点，已成为当今世界微波功率计的发 展主流。
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7.1微波功率计概述
例如，在通信系统中，发射机的发射功率越大，其 覆盖的地域就越大，而提高功率也就意味着系统成 本的上升，因此我们希望准确测量出输出功率，使 设备达到设计要求，尽可能降低功率测量的不确定 度给发射机性能造成的模糊性；通过测量雷达发射 机的发射功率，就可以确定该雷达的作用距离；功 率测量还广泛应用于微波器件的测试，例如采用参 考功率法测量器件的增益、插损、端口驻波、隔离 度、耦合度等。 测量微波功率最常用的是“测热”的方法，即把微 波功率转换成热能，然后用测热的方法进行测量。 常用的测热式功率测量仪器有量热式功率计、热敏 式功率计、热电偶式功率计。
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7.2微波功率测量原理 7.2.3 微波功率测量原理
终端式功率计通常有以下几种分类方式： (1) 按功率计测量功率原理分类 , 有热敏电阻式功率 计、热电偶式功率计、晶体管式功率计、量热式功 率计，此外还有微量热式及其他类型的功率计(如有 功功率计、霍耳效应功 率计、铁氧体功率计等)。 (2) 按被测功率的特征分类，分为连续波功率计、 峰值功率计。 (3) 按功率座输入端传输线的类型分类，分为同轴 型功率计和波导型功率计。 (4) 按功率计的量程大小分类，分为小功率计(P≤100 mW)、中功率计(P为100 mW〜 100 W)、大功率计 (P≥100 W)。 目前较常用的终端式微波功率计为热敏电阻式功率 计、半导体热电偶式功率计和二极管 式功率计。
式中，P为功率，V为电压，I为电流，这里功率、电 压、电流都是给定时刻的瞬时值。
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7.2微波功率测量原理 7.2.1 功率的基本定义
如果电压和电流不随时间变化，则瞬时功率为一常 数。 对交流信号测量的功率计只提供平均功率测量，也 就是测量信号在一个周期内能量变化的平均速率。 瞬时信号的平均功率由式（7.3）给出：
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7.2微波功率测量原理 7.2.1 功率的基本定义
图7.1为脉冲功率与脉冲平均功率示意图。
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7.2微波功率测量原理 7.2.1 功率的基本定义
峰值功率是描述最大功率的一个专用术语。 图7.2为用在某种导航系统中的高斯型脉冲的实例， 峰值功率是指该包络功率的最大功率。 对于理想的矩形脉冲而言，峰值功率就等于脉冲功 率。 峰值功率计或峰值功率分析仪是专门设计用来表征 这类波形的测试仪器。
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7.2微波功率测量原理 7.2.3 微波功率测量原理
一般输入方式为波导式，频段一般为一个倍频程， 目前也出现了宽带同轴通过式功率计。 这种功率计往往设计成体积小的便携产品，有的则 是无源的，使用非常方便。 通过式功率计就其形式而言,分为单向和双向两类。 由单定向耦合器构成的通过式功率计称为单向式， 由双定向耦合器构成的通过式功率计称为双向式。