功率计和功率传感器工作原理

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。 

图7  热电偶功率计原理框图 

3.二极管功率传感器和功率计

利用半导体二极管作为检波元件有可能测量极低的功率电平。图8示出了二极管传感器的最简单形式。可以看出，它包含隔直流电容器，终端电阻器，二极管和射频旁路电容器。流过二极管的电流是负载电阻器两端出现的外加电压的非线性函数。某些二极管在很低的外加电压（mV级）下将传导显著电流（uA级)，但仍然存在非线性关系，并引起遵循外加电压平方（即平方律响应）的整流输出，因而服从幂次关系。图9给出的数据说明，工作在平方律区域时，检测二极管的输出直接效仿输入功率变化。由于检波机理服从幂次关系，故平方律二极管传感器将指示复合波形总功率的正确值。

图8   二极管功率传感器的检波电路

为了保证二极管对信号功率起响应，某些功率传感器设计将测量范围限制在平方律区域以内。这类传感器能测量低达0.1nW(-70dBm)的功率电平，且它们将完成与外加信号的波形无关的精确功率测量。平方律工作的可用动态范围约50dB，所以平方律二极管可以使用与热电偶传感器相同的功率计。

将二极管传感器的工作向更高功率电平（10---100mW)扩展的功率计可能提供具有很宽动态范围（70dB或更大）的测量能力，但在高于10uW量程上获得的读数只适用于连续波（CW）正弦信号。在高功率电平上，二极管的工作类似于对外加电压的峰值起响应的线性检波器。图9表明，为了产生100:1的功率变化，需要二极管的输出指示10:1的电压变化。在这个工作范围，二极管传感器的输出在变成功率指示之前，必须进行平方。

利用工作在线性范围的二极管传感器的功率计包含有将二极管的输出电压进行平方的装置，给出与连续波正弦信号的功率相对应的读数。用于测量连续波信号的平均功率的功率计不能精确测量带有任何幅度调制形式的信号的功率。这个问题的解决办法是降低信号幅度，直到二极管工作在二极管对总功率起响应的平方律区域。

图9   二极管功率传感器的输出电压随输入功率的变化

传感器工作在线性范围时，载频的谐波可能带来显著的测量误差。例如，若谐波比基波低20dB(10%的谐波电压），便会造成总信号功率的1%的影响。具有平方律响应的传感器将指示总功率的正确值。谐波电压可能加到基波的峰值电压上或从中减去，所以线性检波器可能具有在无失真信号电压的90%与1.1倍之间变化的输出。由于传感器的输出随后被平方，故指示功率可能比真值高20%或低20%。实际峰值电压取决于基波与谐波的相位关系，所以，没有修正这个误差的方法。图10所示的全波检波器对峰峰电压进行检测，只有当信号包含奇次谐波时才增添显著的误差。

图10  用于二极管功率传感器的全波检波器

图11是二极管功率