便携式功率分析仪设计----硬件设计

第三章便携式功率分析仪硬件设计

3.1微波功率测量原理

微波功率测量电路的连接方式一般分为终端式和通过式两种。终端式接法是把待测的信号功率直接送入功率计。即以功率探头为吸收负载，由它把吸收的微波功率转换为可以指示的某种电信号，再由指示器给出待测功率值。这种方法适用于测量发射装置或微波信号源的输出功率。通过式接法是按已知比例从主传输线上耦合出部分功率来测量主传输线所接负载吸收的净功率，或用来监测主传输线上传输功率的情况。

功率方程是功率测量线路中正确分析待测功率值的基础。将功率探头接到待测功率源的输出端T面，T面相当于由一段特性阻抗Zo的无耗传输线相连接。当源端和负载端阻抗都本等于Zo时，设T面上的源和负载的反射系数分别为Γg＝（Zg -Zo）/（Zg +Zo）和ΓL＝（ZL -Zo）/（Z L +Zo）。由此得出：（1）测量功率源输出，实际上是要求测量功率源向无反射负载的输出功率P o，只有当终端式功率计的ΓL＝0时，才能准确测出P o。（不管|Γg|是否为零）。只有|Γg|也同时为零时，才能测出资用功率P A（因为不可能要求功率探头的反射系数与待测源反射系数共扼匹配）。可见，为提高功率测量精确度，要求终端式功率计的ΓL尽可能小，以减小失配不确定因子1/(1±|ΓgΓL|)²的作用。一般情况下，终端功率计指示的功率是P o，|Γg|和|ΓL|引入失配误差。

功率计一般包括功率探头和指示器两部分。这两部分根据灵敏度、精确度的不同，而使探头的结构和指示电路的繁简程度也不相同，种类繁多。

功率探头的基本功能是把待测微波功率转换为可检测的电信号，如检波器输出的直流信号，惠斯登电桥的失街电流、热电偶的热电压等。其结构随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测电信号变换为可指示电信号，经过定度，使其读数直接表示微波功率值。它一般包括变换放大解调和表头指示电路两部分。

前者的功能是放大可测电信号，提高功率计灵敏度和指示精度；后者常用的是电工表头或数字指示电路。最简单的功率指示电路也可以不用变换放大解调，而直接指示可测电信号。如常用的晶体检波器，在连续波工作时，它输出的可测电信号是直流电压（或电流）、若这个电压（或电流）足够大，就可直接由数字电压表或微安表头指示。

3.1.1现代射频脉冲功率测量方法

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、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。目前，人们正在研究将产生周期性或非周期性的大功率短脉冲电子设备，作为高功率微波武器。对这种高功率短脉冲微波信号，无论是研究它对电子设备产生的下扰，还是研究它对生命体产生的伤害作用，都要求研究其峰值功率的测量方法。特别是对极短脉冲峰值功率的测量，由于耦合元件过渡历程的影响，使通过式扩展功率法在测量上产生很大困难。因此，研究微波脉冲峰值功率的测量方法，也是近代微波测量的任务之一。

由功率的原始公式P＝I ² R，可以知道，功率就是单位时间内，在电阻上产生的热量。而脉冲峰值功率是指出现脉冲功率最大值的载波周期内的平均功率，而脉冲功率是指在一个脉冲持续时间内的平均功率。调制信号的平均功率P _AV定义为，在许多个周期内取平均的功率，其表达式为：

式中T 0--载波信号周期；

n--载波信号周期数；

p（t）--功率瞬时值。

脉冲功率P p定义为，在一个脉冲持续时间τ内取平均的功率，其表达式为：

式中，τ是脉冲宽度。

脉冲峰值功率P pp定义为脉冲调制峰值处的射频平均功率，其表达式为：

式中，p V是调制脉冲在恒定负载电胆R两端的峰值电压。

显然，对于理想的矩形脉冲，其峰值功率等于脉外功率。人们通常所述的脉冲功率，其调制波形均系指矩形调制脉冲。

依据以上理论，现代功率测量采用了多种方法。在射频和微波段常采用以下几种方法：

量热计法：将电磁能量转换成热能来测量。负载吸收功率，使之转换成热能，从而量热体温度上升，检测其温差热电势，根据功率和热电势间的关系来确定被测功率。 测热电阻法（测辐射热器法）：利用某些对温度敏感的电阻元件在吸收电磁能量后阻值变化的特性来测量功率。 微量热计法：用测热电阻元件作为量热体，用量热计法原理高准确度确定测热电阻座的有效功率，然后用测热电阻座配以高准确度的电桥来单独测量功率。

热电法：借助于热电元件将电磁能量变为热能并测量由于发热所形成的