核功率測(cè)量

功率測(cè)量概述

單位時(shí)間內(nèi)所完成的功稱為功率。功率測(cè)量是指對(duì)元器件或部件所消耗功率的測(cè)定。

通過功率測(cè)量可確定電路的工作效率，也可以確定信號(hào)發(fā)生器的功率、接收機(jī)的靈敏度以及放大器的增益等參數(shù)。

功率測(cè)量定義

單位時(shí)間內(nèi)所完成的功稱為功率。功率單位"瓦"(W) 表示在 1秒內(nèi)完成1焦耳功所需的功率。實(shí)用中又常用分貝瓦(dBW)表示以1瓦為參考電平來(lái)描述功率電平的對(duì)數(shù)式單位;分貝毫瓦(dBm)則表示以1毫瓦為參考電平。如1瓦可記為0分貝瓦或30分貝毫瓦,10微瓦可記為-50分貝瓦或-20分貝毫瓦。在直流或低頻時(shí),常常通過測(cè)量負(fù)載上的電壓U、電流I 和它們之間的相位角φ來(lái)代替直接計(jì)算功率:P=UIcosφ

在射頻頻段，大多用電壓來(lái)表征電磁能的量，但當(dāng)頻段上升到微波時(shí)，在非橫磁波傳輸系統(tǒng)中電壓失去唯一性定義而呈現(xiàn)非單值性，因而又以測(cè)量功率為主?，F(xiàn)代應(yīng)用傳輸橫磁波的同軸線已使頻段擴(kuò)展到18吉赫甚至26.5吉赫以上，為在微波頻段測(cè)量電壓創(chuàng)造了條件，但這并不影響功率測(cè)量在實(shí)際應(yīng)用中的地位。如發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率、微波接收機(jī)的靈敏度、放大器的增益等均以功率電平表征，以功率測(cè)量定標(biāo)。

功率測(cè)量功率計(jì)

功率計(jì)可依測(cè)量方式、工作原理、量程大小、被測(cè)信號(hào)形式和傳輸線類型等進(jìn)行分類。根據(jù)功率計(jì)接入傳輸系統(tǒng)的方式可分為吸收(終端)式和通過式功率計(jì)。

吸收式功率計(jì)是作為被測(cè)系統(tǒng)的終端負(fù)載，吸收輸出功率。

通過式功率計(jì)僅吸收被測(cè)系統(tǒng)中的部分采樣功率。功率測(cè)量靠變換器把電磁能量變換成熱、電、力、光等易于測(cè)量的能量。功率計(jì)依所用的變換器可分為熱效應(yīng)功率計(jì)(如量熱式功率計(jì)、測(cè)熱電阻功率計(jì)和熱電式功率計(jì)等)、有質(zhì)功率計(jì)、電子式功率計(jì)(二極管功率計(jì)和霍耳效應(yīng)功率計(jì))、鐵氧體功率計(jì)和量子干涉效應(yīng)功率計(jì)等。根據(jù)測(cè)量的功率量程可分為小功率計(jì)、中功率計(jì)和大功率計(jì)。一般功率量程小于10毫瓦者為小功率計(jì)、10毫瓦至10瓦者為中功率計(jì)，大于10瓦的為大功率計(jì)，但限量的劃分尚無(wú)嚴(yán)格統(tǒng)一的規(guī)定。根據(jù)被測(cè)信號(hào)形式分為連續(xù)波功率計(jì)和脈沖功率計(jì)，根據(jù)傳輸線類型分為同軸功率計(jì)和波導(dǎo)功率計(jì)。

功率計(jì)按量程可分為大功率計(jì)(大于10W)、中功率計(jì)(10mW~10W)和小功率計(jì)(小于10mW)。

功率測(cè)量的基本方法可分為兩類:一類是直接測(cè)量元、器件的端電壓和通過的電流，通過計(jì)算得出待測(cè)功率，這一類功率計(jì)用于測(cè)量直流或低頻功率;另一類是將電磁能量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的形式，例如熱能、光能等，然后以間接方式測(cè)出功率。這一類功率計(jì)主要應(yīng)用于射頻和微波波段，例如，量熱計(jì)式功率計(jì)、測(cè)熱電阻或變熱電阻功率計(jì)以及光度計(jì)式功率計(jì)等，都是基于能量轉(zhuǎn)換的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量的。

在直流或低頻段可使用直接按瓦特(W)刻度的瓦特表。在射頻和微波段常采用量熱計(jì)法、測(cè)熱電阻法、微量熱計(jì)法和熱電法、光度計(jì)法等。

功率測(cè)量量熱計(jì)法

將電磁能量轉(zhuǎn)換成熱能來(lái)測(cè)量。變換器是感應(yīng)、吸收電磁 能量的負(fù)載，稱為量熱體。負(fù)載吸收功率,使之轉(zhuǎn)換成熱能，從而量熱體溫度上升，檢測(cè)其溫差熱電勢(shì)，根據(jù)功率和熱電勢(shì)間的關(guān)系來(lái)確定被測(cè)功率。

量熱體有干負(fù)載、流體(水、油等)負(fù)載之分。實(shí)際測(cè)量中常采用替代技術(shù)來(lái)校準(zhǔn)溫度測(cè)量裝置，用已知的直流(或低頻)功率來(lái)替代被測(cè)射頻或微波功率。量熱式功率計(jì)的工作頻段已達(dá)毫米波段，量程可分別做成大、中、小功率范圍，單個(gè)儀器動(dòng)態(tài)范圍達(dá)30~40分貝，測(cè)量誤差可達(dá)千分之幾。量熱式功率計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、可靠性好、動(dòng)態(tài)范圍大、阻抗匹配好;缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和測(cè)試技術(shù)復(fù)雜，對(duì)環(huán)境溫度和測(cè)試設(shè)備要求苛刻，而且測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)。因它能獲得很高的測(cè)量準(zhǔn)確度，世界各國(guó)都采用它作為國(guó)家功率標(biāo)準(zhǔn)。采用自動(dòng)反饋電路可大大縮短測(cè)試時(shí)間，改善測(cè)量的精密度。

量熱式功率計(jì)可分為替代靜止式和替代流動(dòng)式量熱計(jì)，其主要技術(shù)指標(biāo)為:頻率范圍:同軸系統(tǒng)一般到10吉赫(有的可達(dá)18吉赫),波導(dǎo)系統(tǒng)可達(dá)毫米波;量程:靜止式為10毫瓦~1瓦(10瓦),流動(dòng)式量熱計(jì)常用來(lái)測(cè)量大功率,例如水負(fù)載量熱計(jì),量程可達(dá)2000瓦;誤差:±3%~±10%;電壓駐波比:1.5左右。靜止量熱計(jì)式功率計(jì)，是一種量熱媒質(zhì)靜止不動(dòng)的量熱功率計(jì)，它由一個(gè)吸收電磁能量的隔熱負(fù)載和測(cè)量負(fù)載溫升的裝置組成。隔熱負(fù)載與周圍環(huán)境保持完全隔熱，當(dāng)負(fù)載吸收高頻功率時(shí)，溫度隨時(shí)間而上升，若測(cè)出負(fù)載在△t時(shí)間內(nèi)的溫升△T，便可求出在該時(shí)間內(nèi)的平均功率。流動(dòng)量熱計(jì)式功率計(jì)，是一種量熱媒質(zhì)不斷流動(dòng)的量熱功率計(jì)，由在液體中將電磁能量轉(zhuǎn)變成熱能的負(fù)載、使液體循環(huán)流動(dòng)的系統(tǒng)以及測(cè)量循環(huán)液體溫差的裝置組成。流動(dòng)的媒質(zhì)由于吸收負(fù)載傳遞的熱量，在液體出口處的溫度將高于入口處的溫度，測(cè)出溫差△T，便可求出被測(cè)功率。流動(dòng)量熱計(jì)式功率計(jì)通常用于測(cè)量中功率與大功率;而靜止量熱計(jì)式功率計(jì)常用來(lái)測(cè)量小功率。測(cè)量精確度約為0.2~5%。

功率測(cè)量測(cè)熱電阻法

也稱測(cè)輻射熱器法，利用某些對(duì)溫度敏感的電阻元件在吸收電磁能量后阻值變化的特性來(lái)測(cè)量功率。常用自動(dòng)平衡電橋的直流或音頻功率來(lái)替代測(cè)量射頻或微波功率(圖1)。所用的溫度敏感的電阻元件稱為測(cè)熱電阻，主要有正溫度系數(shù)的鎮(zhèn)流電阻和負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。它適用于測(cè)量小功率，經(jīng)功率標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)后可作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)。用阻抗法定度效率后來(lái)測(cè)定功率，準(zhǔn)確度達(dá)±0.5%,有的國(guó)家用它作為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。典型的測(cè)熱電阻功率計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)為:頻率范圍:同軸、波導(dǎo)系統(tǒng)為 2.6~40吉赫;量程:10微瓦~10毫瓦;誤差:±(3~5)%;電壓駐波比:1.5左右。

圖中所示為測(cè)熱電阻功率計(jì)原理，RT為熱敏電阻， 它的阻值是溫度的函數(shù)。具有正溫度系數(shù)的稱為測(cè)熱電阻;具有負(fù)溫度系數(shù)的稱為熱變電阻。未加高頻信號(hào)時(shí)RT=R，電橋達(dá)到平衡，電流計(jì)G指示為零。加上高頻信號(hào)時(shí)RT吸收功率，阻值改變，電橋失去平衡，電流計(jì)G偏轉(zhuǎn)。G偏轉(zhuǎn)的大小取決于吸收功率的大小，由此可以通過校準(zhǔn)，從電流計(jì)G直接讀出被測(cè)功率。當(dāng)測(cè)量微波波段(分米波、厘米波段等)中、小功率時(shí)，常使用由鉍--銻熱電偶和電子電壓表等組成的微波功率計(jì)。

測(cè)熱電阻功率計(jì)是廣泛使用的一種小功率計(jì)。它的優(yōu)點(diǎn)是體積小，靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快，使用方便;缺點(diǎn)是過載能力差，容易燒毀(主要是鎮(zhèn)流電阻式功率計(jì))，易受環(huán)境溫度影響，寬頻帶阻抗匹配困難。

功率測(cè)量微量熱計(jì)法

用測(cè)熱電阻元件作為量熱體,用量熱計(jì)法原理高準(zhǔn)確度確定測(cè)熱電阻座的有效功率，然后用測(cè)熱電阻座配以高準(zhǔn)確度的電橋來(lái)單獨(dú)測(cè)量功率。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高,速度快和使用方便。許多國(guó)家都用它建立小功率國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),準(zhǔn)確度達(dá)±(0.2~0.5)%。

功率測(cè)量熱電法

借助于熱電元件將電磁能量變?yōu)闊崮懿y(cè)量由于發(fā)熱所形成的 熱電勢(shì)，熱電勢(shì)與熱電元件所耗散的射頻與微波功率成正比。熱電元件是耗散射頻或微波能量的負(fù)載，又是將射頻或微波能量轉(zhuǎn)換成直流熱電勢(shì)的熱電偶器件。新型的熱電敏感器和熱電薄膜功率計(jì)已獲得廣泛應(yīng)用。這種功率計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬(50兆赫~26.5吉赫)，動(dòng)態(tài)范圍寬(100微瓦~3瓦)，低噪聲零點(diǎn)漂移小，靈敏度高(可達(dá)0.1納瓦),響應(yīng)時(shí)間快和數(shù)字顯示等。缺點(diǎn)是過載能力差，容易燒毀，長(zhǎng)期穩(wěn)定性尚待改善。

這些使用熱效應(yīng)法的功率計(jì)與已定度的衰減器或定向耦合器組合起來(lái)，可擴(kuò)展功率量程，制成吸收式或通過式中、大功率計(jì)。

隨著電子學(xué)和航天技術(shù)的迅速發(fā)展，脈沖調(diào)制的射頻和微波系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。這類系統(tǒng)的基本參量之一是脈沖峰值功率。脈沖峰值功率是指出現(xiàn)脈沖功率最大值的載波周期內(nèi)的平均功率，而脈沖功率是指在一個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)的平均功率。對(duì)于理想的矩形脈沖,峰值功率等于脈沖功率。測(cè)量脈沖峰值功率的方法主要有:①?gòu)臏y(cè)量出的平均功率計(jì)算脈沖峰值功率;②峰值檢波法;③鎮(zhèn)流電阻積分微分法;④取樣比較法;⑤陷波法。脈沖峰值功率測(cè)量中準(zhǔn)確度較高的是陷波法，主要技術(shù)指標(biāo)為:頻率范圍:同軸系統(tǒng)0.95~2.35吉赫,和4.0~4.4吉赫,波導(dǎo)系統(tǒng)8.2~12.4吉赫;量程:10微瓦~10千瓦;準(zhǔn)確度:同軸系統(tǒng)約±3%，波導(dǎo)系統(tǒng)約為±(4~6)%。此外還出現(xiàn)了帶接口的可程控智能功率計(jì)，它可與其他儀器組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

功率測(cè)量光度計(jì)法

利用特殊白熾燈作為負(fù)載，吸收功率時(shí)此燈燃明，然后再通過光度計(jì)與50Hz市電電源加熱后的發(fā)光亮度進(jìn)行比較，從而測(cè)得被測(cè)功率。此種比較法測(cè)量功率稱為光度計(jì)法。

光度計(jì)法可用于厘米波段，功率測(cè)量范圍從十分之幾到100瓦，測(cè)量精確度約±10%。

微波功率量值傳遞的關(guān)鍵是減小失配誤差。功率的量值傳遞方法大致可分為四類。

①交替連接比較法

交替連接比較法:把標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)和被校功率計(jì)交替接到穩(wěn)定的信號(hào)源上進(jìn)行校準(zhǔn)。這種方法的誤差較大，但簡(jiǎn)單易行，在準(zhǔn)確度要求不高的情況下廣泛使用。

②單定向耦合器直接比較法

單定向耦合器直接比較法:利用定向耦合器-功率檢波器組合,提供一個(gè)穩(wěn)幅的低反射系數(shù)的等效信號(hào)源。當(dāng)采用調(diào)配措施后，可使等效信號(hào)源的反射系數(shù)小于0.005，減小失配誤差,然后用功率標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其校準(zhǔn)，確定校準(zhǔn)系數(shù)后可作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)單獨(dú)校準(zhǔn)其他功率計(jì)。這種傳遞標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)信號(hào)頻率為18吉赫時(shí)校準(zhǔn)系數(shù)的準(zhǔn)確度可達(dá)到 ±2%左右。這種方法廣泛用于功率量值傳遞(微波功率國(guó)際比對(duì)就是這樣進(jìn)行的)。

③調(diào)配反射計(jì)法

調(diào)配反射計(jì)法:為了有效地消除失配誤差、提高功率測(cè)量和量值傳遞的準(zhǔn)確度，1960年開始采用反射計(jì)法進(jìn)行功率量值傳遞，利用調(diào)配反射計(jì)技術(shù)，有效地將入射波與反射波分開以消除失配誤差。但這種方法復(fù)雜，技術(shù)要求很高。

④ 功率方程法

功率方程法:1969年G.F.恩金提出一種描述和計(jì)算微波系統(tǒng)的"功率方程概念"，用傳輸?shù)膬艄β蔬@一基本實(shí)數(shù)參量替代電路理論中的復(fù)數(shù)行波波幅來(lái)分析和計(jì)算微波系統(tǒng),放寬了對(duì)均勻波導(dǎo),特別是對(duì)精密同軸接頭的要求，對(duì)失配誤差的修正提出了一個(gè)確定解，克服了電路理論只能估計(jì)失配誤差極限的缺點(diǎn)。功率方程法采用廣義反射計(jì)技術(shù)的校準(zhǔn)系統(tǒng)。它測(cè)量?jī)蓚€(gè)實(shí)數(shù)的失配因子，對(duì)失配誤差進(jìn)行精確修正，測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)到±0.2%。