功率计和功率传感器工作原理

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分组成。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可

以直接检测的电信号。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，一台功率计要配若干个不同功能的功率计探头。

图1 功率测量仪器的组成

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。

热敏电阻型功率计使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，电阻值发生显著变化，利用电阻电桥测量电阻值的变化，显示功率值。

热电偶型功率计则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。

晶体检波式功率计使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。适当选择工作点，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变化。若将热敏电阻用于形成功率传

感器的终端，则它的电阻将随外加功率引起的温升而变。

图2说明了热敏电阻功率计的基本原理。图2（a）的电路表明对于射频输入端上出现的信号，两个热敏电阻如

何被布置成并联以及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端，以避免热敏电阻那边的射频泄露。

图2 热敏电阻功率计的基本工作原理（（a)热敏电阻功率传感器；（b）自动平衡电桥）

功率计利用称为自动平衡电桥的电路，该电路提供将热敏电阻阻值R T维持恒定在R值上的直流偏置功率。若热

敏电阻上的射频功率增加，则电桥使偏置功率减小一个相类似的量。射频功率降低则引起电桥增加偏置功率，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这个变化进行处理，以获得功率读数。

图3 温度补偿式热敏电阻传感器

热敏电阻的阻值随环境温度以及射频和直流功率而变，所以温度的任何变化都会引起功率读数变化。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。这类传感器要求包含两个自动平衡电桥以及依据加到检测热敏电阻和补偿热敏电阻上的偏置信号来获得功率读数的电路的专用功率计。图4给出了这类功率计的详细框图。

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对于加到补偿电桥上的功率进行比较，射频功率由下式给出：

P rf=(V c^2-V rf^2)/4R

式中，P rf为射频功率；V c为加到补偿电桥上的电压；V rf为加到射频电桥上的电压；R为热敏电阻传感器在平衡时的电阻。

功率计包含一个在通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，这个条件在使用者启动自动调零电路时便能得到。现代热敏电阻功率计提供10mW---1uW输入功率范围的测量能力（40dB),并可提

供能工作在100KHZ---1000GHZ频率范围内不同波段的传感器。

热敏电阻传感器曾经广泛用于一般用途的功率测量，但它们已被能提供更佳性能的其他功率检测方法取代。现在

的主要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满足这些要求。

两种相异导体的连接形成一对热电偶结，这些结两端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分外加功率的电阻器。电阻器的的温度升高，在附件的热电偶结两端便形成温度梯度，从而产生与功率成正比的电压。两组这类结构实际上可以这样取向，使由电阻器耗散的功率产生的温升引起两个热电偶结构产生相加的温差电压，而由环境温度变化产生的温度梯度则引起相抵消的温差电压，因而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。

功率传感器中使用的热电偶元件可能由金、（n)型硅和氮化钽电阻材料构成，而薄膜结构则提供工作在超过40GHz 频率上所需的小尺寸和精密几何形状。图5是利用这些技术的热电偶传感器的示意图。

图5 热电偶功率计原理简图

热电偶的灵敏度可以借助其直流输出电压的幅度相对于传感器耗散的射频功率的大小来说明。典型灵敏度约为

160uV/mW，低达1.0uW的功率电平可以用这类传感器进行测量。必须测量的直流电压可能低达0.16uV，所以功

率计内部的放大器必须提供高增益。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满足这个要求。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端或者转接到地。输入电容器由直流输入电压充电并由接地放电，所以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

不包含偏置电压。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理和显示的直流电压。

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分包含在传感器中，所以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理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100mW到1uW（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精密参考源，它用于调节系统的增益，以补偿热电偶不同元件之间灵敏度的变化。每当将不同的传感器与功率计相连时，使用者进行这一调节，这一过程可以简单到将传感器与参考源相连并按动相应按钮。