功率計(jì)與功率傳感器工作原理

功率計(jì)和功率傳感器工作原理夠直接檢測(cè)的電信號(hào)。功率指示器包括信號(hào)放大、變換和顯示器。顯示器直接顯示功率值。功率傳感器和功率指示器之間用電纜連接。為了適應(yīng)不同頻率、不同功率電平和不同傳輸線構(gòu)造的需要，一臺(tái)功率計(jì)要配假設(shè)干個(gè)不同功能的功率計(jì)探頭。圖1 功率測(cè)量?jī)x器的組成按功率傳感器技術(shù)類型，可把功率計(jì)分為3類：熱敏電阻型功率計(jì)，熱電偶型功率計(jì)和晶體檢波式功率計(jì)。熱敏電阻型功率計(jì)利用熱敏電阻做功率傳感元件。熱敏電阻值的溫度系數(shù)較大，被測(cè)信號(hào)的功率被熱敏電阻吸取后產(chǎn)生熱量，使其自身溫度上升，電阻值發(fā)生顯著轉(zhuǎn)變，利用電阻電橋測(cè)量電阻值的轉(zhuǎn)變，顯示功率值。熱電偶型功率計(jì)那么是利用熱電偶型功率計(jì)中的熱偶結(jié)直接吸取高頻信號(hào)功率，結(jié)點(diǎn)溫度上升，產(chǎn)生溫差電勢(shì)，電勢(shì)的大小正比于吸取的高頻功率值，進(jìn)展功率測(cè)量。信號(hào)的幅度正比于高頻信號(hào)的功率。熱敏電阻功率傳感器和功率計(jì)傳感器的終端，那么它的電阻將隨外加功率引發(fā)的溫升而變。圖2熱敏電阻功率計(jì)的大體工作原理〔〔a)熱敏電阻功率傳感器；〔b〕自動(dòng)平穩(wěn)電橋〕圖2說(shuō)明白熱敏電阻功率計(jì)的大體原理。圖2〔a〕的電路說(shuō)明關(guān)于射頻輸入端上顯現(xiàn)的信號(hào)，兩個(gè)熱敏電阻如何被布置成并聯(lián)和如何與功率計(jì)相串聯(lián)。功率計(jì)的連接跨接在射頻旁路電容器兩頭，以幸免熱敏電阻那里的射頻泄圖2熱敏電阻功率計(jì)的大體工作原理〔〔a)熱敏電阻功率傳感器；〔b〕自動(dòng)平穩(wěn)電橋〕功率計(jì)利用稱為自動(dòng)平穩(wěn)電橋的電路，該電路供給將熱敏電阻阻值RT維持恒定在R值上的直流偏置功率。假設(shè)熱熱敏電阻維持恒定的電阻。功率計(jì)內(nèi)的關(guān)心電路對(duì)直流功率的那個(gè)轉(zhuǎn)變進(jìn)展處置，以取得功率讀數(shù)。圖3 溫度補(bǔ)償式熱敏電阻傳感器3示出了溫度補(bǔ)償式熱敏電阻傳感器的電路。這種傳感器要求包括兩個(gè)自動(dòng)平穩(wěn)電橋和依據(jù)加到檢測(cè)熱敏電阻和補(bǔ)償熱敏電阻上的偏置信號(hào)來(lái)取得功率讀數(shù)的電路的專用功率計(jì)。圖圖3 溫度補(bǔ)償式熱敏電阻傳感器圖4帶有溫度補(bǔ)償式熱敏電阻功率計(jì)原理框圖〔N432A〕將加到射頻電橋上的偏置功率相關(guān)于加到補(bǔ)償電橋上的功率進(jìn)展比較，射頻功率由下式給出：Prf=(Vc^2-Vrf^2)/4R式中，Prf為射頻功率；Vc為加到補(bǔ)償電橋上的電壓；Vrf為加到射頻電橋上的電壓；R為熱敏電阻傳感器在平穩(wěn)時(shí)的電阻。功率計(jì)包括一個(gè)在通Vc與Vrf之和成正比的時(shí)期內(nèi)閉合的電子開(kāi)關(guān)，從而在儀表測(cè)量部件M中形成電流流淌，其大小通Vc與Vrf之差成正比。通過(guò)儀表的電流的平均值計(jì)算式，不加射頻功率時(shí)，Vc=Vrf，那個(gè)條件在利用者啟動(dòng)自動(dòng)調(diào)零電路時(shí)便能取得?，F(xiàn)代熱敏電阻功率計(jì)供給10mW---1uW輸入功率范圍的測(cè)量力量〔40dB),并可供給100KHZ---1000GHZ的要緊用途是功率計(jì)和傳感器的校準(zhǔn)。熱電偶功率傳感器和功率計(jì)工程師格外期望功率傳感器具有寬動(dòng)態(tài)范圍、低漂移和小駐波比，且一臺(tái)儀器能夠容納寬的頻率范圍。利用熱電偶的功率傳感器便能知足這些要求。兩種相異導(dǎo)體的連接形成一對(duì)熱電偶結(jié)，這些結(jié)兩頭存在的任何溫度梯度將產(chǎn)生電壓。功率傳感器的熱電偶結(jié)從而產(chǎn)生與功率成正比的電壓。兩組這種構(gòu)造事實(shí)上能夠如此取向，使由電阻器耗散的功率產(chǎn)生的溫升引發(fā)兩個(gè)熱電偶構(gòu)造產(chǎn)生相加的溫差電壓，而由環(huán)境溫度轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的溫度梯度那么引發(fā)相抵消的溫差電壓，因此將零讀數(shù)的漂移減至最小。該電阻器的阻值被設(shè)計(jì)成為傳輸線供給良好匹配的終端。功率傳感器中利用的熱電偶元件可能由金、〔n)型硅和氮化鉭電阻材料組成，而薄膜構(gòu)造那么供給工作在超過(guò)40GHz5圖5圖5熱電偶功率計(jì)原理簡(jiǎn)圖160uV/mW器必需供給高增益。重要的是，這些放大器不能添加到待測(cè)微伏電壓上或從中減去的任何附加直流偏置。圖6合放大器的輸入電容器轉(zhuǎn)接傳感器的輸出端或轉(zhuǎn)接到地。輸入電容器由直流輸入電壓充電并由接地放電，因此到放大器的輸入信號(hào)變成幅度正比于傳感器輸出的方波。溝通耦合放大器具有足夠高的增益，產(chǎn)生數(shù)伏的輸出方波且不包括偏置電壓。同步檢波器靠與斬波器一樣一樣信號(hào)工作的另一個(gè)開(kāi)關(guān)，它將放大器輸出與RC〔電阻器〕濾波器相連或?qū)V波器輸入接地。由于輸出轉(zhuǎn)接與輸入斬波器同步，故濾波電容器由輸入直流電壓產(chǎn)生的方波的同一半周期充電。濾波器的輸出是很簡(jiǎn)潔加以處置和顯示的直流電壓。圖6斬波輸入放大器和同步檢波器圖7功率計(jì)，在此，信號(hào)經(jīng)放大，由同步檢波器變回到直流，再由儀表顯示。在利用熱電偶傳感器的數(shù)字式功率計(jì)或基于微處置器的功率計(jì)中也存在類似電路。現(xiàn)代熱電偶式功率計(jì)供給在100mW圖6斬波輸入放大器和同步檢波器圖7 熱電偶功率計(jì)原理框圖3.二極管功率傳感器和功率計(jì)圖7 熱電偶功率計(jì)原理框圖3.二極管功率傳感器和功率計(jì)利用半導(dǎo)體二極管作為檢波元件有可能測(cè)量極低的功率電平8它包括隔直流電容器，終端電阻器，二極管和射頻旁路電容器。流過(guò)二極管的電流是負(fù)載電阻器兩頭顯現(xiàn)的外加電壓的非線性函數(shù)。某些二極管在很低的外加電壓〔mV級(jí)〕下將傳導(dǎo)顯著電流〔uA級(jí))，但仍舊存在非線性關(guān)系，并引發(fā)遵循外加電壓平方〔即平方律響應(yīng)〕的整流輸出，因此聽(tīng)從冪次關(guān)系。圖9給出的數(shù)聽(tīng)說(shuō)明，工作在平方律區(qū)域時(shí)，檢測(cè)二極管的輸出直接效仿輸入功率轉(zhuǎn)變。由于檢波機(jī)理聽(tīng)從冪次關(guān)系，故平方律二極管傳感器將指示復(fù)合波形總功率的正確值。圖8 二極管功率傳感器的檢波電路為了保證二極管對(duì)信號(hào)功率起響應(yīng)，某些功率傳感器設(shè)計(jì)將測(cè)量范圍限制在平方律區(qū)域之內(nèi)。這種傳感器能測(cè)量低達(dá)(-70dBm)的功率電平，且它們將完成與外加信號(hào)的波形無(wú)關(guān)的精準(zhǔn)功率測(cè)量。平方律工作的可用動(dòng)態(tài)范圍圖8 二極管功率傳感器的檢波電路將二極管傳感器的工作向更高功率電〔10---100mW)擴(kuò)展的功率計(jì)可能供給具有很寬動(dòng)態(tài)范〔70dB或更大〕的測(cè)量力量，但在高于10uW量程上取得的讀數(shù)只適用于持續(xù)波〔CW〕正弦信號(hào)。在高功率電平上，二極管的工作類似于對(duì)外加電壓的峰值起響應(yīng)的線性檢波器。圖9說(shuō)明，為了產(chǎn)生100:1的功率轉(zhuǎn)變，需要二極管的輸出指示10:1號(hào)的功率相對(duì)應(yīng)的讀數(shù)。用于測(cè)量持續(xù)波信號(hào)的平均功率的功率計(jì)不能精準(zhǔn)測(cè)量帶有任何幅度調(diào)制形式的信號(hào)的功率。那個(gè)問(wèn)題的解決方法是降低信號(hào)幅度，直到二極管工作在二極管對(duì)總功率起響應(yīng)的平方律區(qū)域。圖9 二極管功率傳感器的輸出電壓隨輸入功率的轉(zhuǎn)變20dB(10%的諧波電壓〕，便會(huì)造成總信號(hào)功率的1%的阻礙。具有平方律響應(yīng)的傳感器將指示總功率的正確值。諧波電壓可能加到基9020%或低20沒(méi)有修正那個(gè)誤差的方式。圖10所示的全波檢波器對(duì)峰峰電壓進(jìn)展檢測(cè)，只有當(dāng)信號(hào)包括奇次諧波時(shí)才增加顯著的誤差。圖10用于二極管功率傳感器的全波檢波器圖11是二極管功率計(jì)的完整構(gòu)造框圖。傳感器用全波檢波器的二極管傳感器，功率計(jì)構(gòu)造與熱電偶類似。圖11 二極管功率傳感器和功率計(jì)原理框圖4.峰值功率傳感器和功率計(jì)圖12 峰值功率計(jì)原理簡(jiǎn)圖轉(zhuǎn)變。檢測(cè)元件通常