高频和微波功率基准及其应用研究

性之外，还引起电磁波传输的电气性能的的变化。电气性能的变化对测量的影响，主要表现为电磁泄漏、阻抗失配引起的测量不确定度。

对于如此宽广的量程和频段，如此复杂的传输线和接头形式，显然需要采用不同的测量方法和测量设备，并为此而分别建立相应的计量标准和器具。

1.2.2高频和微波功率的测量方法和仪器

由于高频和微波功率测量都是基于将高频或微波能量转换成热、力、直流或低频电量等能量形式然后加以测量的，所以一个功率测量仪器总是由感应、吸收并实现能量转换的转换部分及相应的指示器组成的，一般将功率测量仪器称为功率计，将能量转换部分称为功率座、功率探头或功率敏感器，将相应的指示器称为功率指示器。其结构如图1-1所示。

目前常见的功率计有以下几种：

1）量热计：量热计是一种测量负载吸收功率后的温度变化的仪器，根据直流功率和被测功率所引起温度变化的不同得出被测功率的量值。根据吸收功率负载的不同分为流量热计[9]和干式量热计[10]。目前除了用于中、大功率测量的流量热计 ，量热计很少用作商品功率计。很多国家功率基准采用的是干式量热计设计，功率范围在毫瓦量级 。

2）测辐射热计：测辐射热计由使用测辐射热元件座作为功率传感器而得名。常用的测辐射热元件有三种，镇流电阻 、热变电阻和热敏电阻。测辐射热计可以被看作是一种简化的量热计，测辐射热元件在吸收高频或微波功率导致的温升下会发生电阻的变化，这一变化可以被功率指示器中的电桥检测到。如采用平衡式电桥如惠斯通电桥和四线电阻电桥，则可以根据测辐射热元件在吸收高频或微波功率前后直流功率的变化量计算高频或微波功率。目前常见的测辐射热计是热敏电阻功率计，一般只用于微量热计式功率基准和量值传递而很少用作商品功率计，功率测量范围一般在（1~10）mW.

3）热电式功率计：利用热电效应（塞贝克、珀耳帖和汤姆森效应）测量功率的功率计被称为热电式功率计或热电耦式功率计，根据热电元件（热电偶）位置的不同可以分为自热式和他热式两种 。自热式热偶在测量温度变化的同时，也是吸收高频或微波功率的负载，灵敏度高，响应时间短，但反射系数较大，过载能力差，无法测量100 kHz以下的信号功率；他热式热偶则是紧靠在吸收负载后面测量负载的温升，反射系数较小，过载能力强，可以测量直到直流的信号功率，但灵敏度低于自热式，响应时间也长[19]。热电式功率计是最常用的一种商品功率计，功率测量范围一般在-30dBm～20dBm.

4）二极管式功率计：利用二极管检波方式测量功率的功率计被称为二极管式功率计。早期使用的晶体二极管大多为点接触二极管，由于结构脆弱、一致性差、稳定性不好的缺点，仅能作为相对电平的指示，而不能用作绝对功率测量。

随着半导体工艺水平的提高，已研制成一种新型的晶体二极管—低势垒肖特基二极管用于二极管式功率计，这种新型的面接触低势垒肖特基二极管具有良好的平方律特性[20]。为抑制谐波的影响，目前二极管式功率计均采用对偶二极管结构，这种类似倍压整流的结构可以有效的抑制二次及更高的偶次谐波。而为了获得更好的线性度和更宽的功率测量范围，最新的二极管式功率计采用了二极管级联、动态通道切换和自动修正技术。二极管式功率计也是一种最常用的商品功率计，功率测量范围一般在-70dBm～20dBm.

5）其他功率计：还有一些利用其他物理效应的功率计，如力学效应功率计、霍尔效应功率计、量子干涉效应功率计和电子注式功率计，只是在很少的实验室进行功率测量方法的探索性研究时研制过，由于使用条件太苛刻、测量准确度较低或测量范围太窄等原因，目前已经不再使用。

描述商品功率计的主要技术指标包括：功率量程、频率范围、功率传感器的输入反射系数、修正因子K等，其中K定义为

其中，Pm是功率指示器的示数，Pi是功率计的入射功率。

另外，有效效率ηeff和校准因子Kb是专门描述测辐射热计特性的量值，分别定义

为其中，Pb是测辐射热计的直流替代功率，PL是测辐射热计吸收的高频和微波功率。

按基本测量原理，本文将高频和微波功率计分为两类：

1）直接测量类型：即利用高频或微波功率的热效应，测量吸收高频或微波功率后的温度变化，根据温度变化得出被测功率的量值。量热计，测辐射热计均属于这一类。

直接测量类型功率计的原理是热力学第一定律，

即物体温度的变化与加在其上的总功有关。如果在增加或减少高频或微波功率的同时减小或增加直流或低频功率可以保持物体温度不变，则高频或微波功率变化量与直流或低频功率