功率探頭的原理及選型

功率探頭的原理及選型摘要：本文是射頻微波功率探頭的選型指南。根據(jù)現(xiàn)代功率探頭的結(jié)構(gòu)和測試原理，分析各種探頭技術(shù)的優(yōu)缺點和應(yīng)用場景，使工程師可以選擇合適的功率探頭，獲得準確的功率測試值。另外，本文還涉及探頭自身的修正技術(shù)以及測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫妗?、引言信號的功率測試，通常以功率計的測試結(jié)果作為標準?，F(xiàn)代功率探頭具有以下特點：數(shù)字化，小型化；探頭完成所有測試功能，和測試數(shù)據(jù)的采集；無需主機，可以由包括手機在內(nèi)的具有操作系統(tǒng)的設(shè)備進行探頭控制和數(shù)據(jù)分析。針對不同的測試目的和任務(wù)，如何選用合適的功率探頭，是擺在每個射頻工程師面前的問題。2、功率探頭類型及原理從探頭采用的技術(shù)類型劃分，可分為兩大類：熱電探頭和二極管探頭。熱電探頭又分為熱敏、熱偶和熱電堆三個類別；二極管探頭又分為單通道、多通道和寬帶（峰值）幾個類別。從應(yīng)用場合看，熱電探頭小功率（1mW左右）測試準確度高，功率測試動態(tài)范圍小，適合射頻微波信號平均功率的計量校準；二極管探頭功率測量動態(tài)范圍大，速度快，適合研發(fā)測試和工程應(yīng)用。2.1、熱電功率探頭熱敏功率探頭采用熱敏電阻作為核心元部件，輸入信號經(jīng)過熱敏電阻的功率被其吸收后溫度升高，電阻值發(fā)生顯著變化，利用電橋測量電阻值的變化，顯示功率值。熱偶功率探頭的核心部件是熱電偶。將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，當兩個接點處的溫度不同時，回路中將產(chǎn)生溫差電勢，電勢的大小正比于吸收的高頻功率值，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，又稱為塞貝克（Seebeck）效應(yīng)。利用熱電偶型功率計中的熱偶結(jié)直接吸收高頻信號功率，熱結(jié)點溫度升高，產(chǎn)生溫差電勢，電勢的大小正比于吸收的射頻功率值，進行功率測量。為了提高熱電偶的靈敏度，可將多個熱電偶串聯(lián)起來組成熱電堆；熱電堆的輸出電壓（輸出溫差電動勢）是多個熱電偶的輸出電壓之和。綜合考慮測試頻率范圍、功率范圍和準確度，熱電堆是目前最佳熱電功率探頭技術(shù)。2.2、二極管功率探頭二極管功率探頭采用半導(dǎo)體二極管作為核心元部件，采用平方率檢波，獲得功率值。所謂平方率檢波，就是在小信號范圍（-70dBm~-13dBm），肖特基（schottky）二極管輸出電壓正比于輸入功率，或者說正比于輸入電壓幅度的平方，通過輸出電壓的測量，得出功率測量值。單通道二極管的功率測試范圍不夠高，現(xiàn)代智能探頭一般選用多通道方式。通常增設(shè)兩路不同前端衰減器的通道，與不加衰減器的通道并行測量，對一組三通道測試數(shù)據(jù)進行智能判斷和修正。通過這種方法，可以實現(xiàn)大動態(tài)范圍（-70dBm~+23dBm）功率的準確測量。上述智能探頭采用不同的視頻濾波器（低通），獲得更佳靈敏度和動態(tài)范圍。對于特殊測試應(yīng)用，如峰值功率測量，采用寬帶視頻濾波器（如30MHz），從而獲得更快的響應(yīng)速度，能夠測試更窄的脈沖，獲得連續(xù)的脈沖信號功率變化曲線，進而分析實時功率值。2.3、功率探頭的調(diào)零校準與數(shù)值修正功率探頭的作用是獲得準確的功率測量值，每個探頭必須有精確的校準數(shù)據(jù)?，F(xiàn)代功率探頭的校準數(shù)據(jù)一般內(nèi)置在探頭內(nèi)置存儲器中。功率探頭的校準數(shù)據(jù)，即包括入射功率的修正，也包括駐波反射修正。功率探頭的輸入端連接輸入被測信號，輸出端直接是測試數(shù)據(jù)（測量值），數(shù)據(jù)修正是在測量中自動完成的?，F(xiàn)代功率探頭在測量前無需外置源校準，因為探頭內(nèi)部有參考源和參考溫度，“調(diào)零”過程就包含了以前的測量前校準過程。為了保證測量準確度，功率探頭需要送到計量單位溯源和校準，如果計量單位給出的修正數(shù)據(jù)與功率探頭原有數(shù)據(jù)偏差，在測量不確定度范圍之內(nèi)，則此探頭通過校準，無需修改數(shù)據(jù)。如果計量單位采用原廠功率標準，例如R&SNRPC，計量R&S功率探頭，那么計量過程可以實現(xiàn)真正的“校準”，可以自動擦寫探頭內(nèi)部修正數(shù)據(jù)，誤差歸零；當然，如果用NRPC計量其他公司探頭，僅能完成“計量”過程，給出誤差而不能擦寫內(nèi)置數(shù)據(jù)。3、功率計（探頭）應(yīng)用及選型3.1、通用大動態(tài)功率測量兼顧測試準確度和測量動態(tài)范圍（-70dBm~+23dBm），通用功率探頭是二極管（智能多通道）探頭。選型參考型號：R&S?NRP8S（N）100pW~200mW,10MHz~8GHzR&S?NRP18S（N）100pW~200mW,10MHz~18GHzR&S?NRP33S（N）100pW~200mW,10MHz~33GHzR&S?NRP40S（N）100pW~100mW,50MHz~40GHzR&S?NRP50S（N）100pW~100mW,50MHz~50GHzR&S?NRP6A（N）100pW~200mW,8kHz~6GHzR&S?NRP18A（N）100pW~200mW,8kHz~18GHz3.2、信號平均功率計量和校準從準確度考慮，平均功率的測試一般采用熱電堆智能探頭。小功率信號（-10~+10dBm）的計量校準，選用熱電堆功率探頭，具有最佳測量不確定度。另外，如果功率范圍在（-35dBm~+20dBm），并且只需要測量信號的平均功率，熱電堆功率探頭也是最佳選擇。選型參考型號：R&S?NRP18T（N）300nW~100mW,DC~18GHzR&S?NRP33T（N）300nW~100mW,DC~33GHzR&S?NRP40T（N）300nW~100mW,DC~40GHzR&S?NRP50T（N）300nW~100mW,DC~50GHzR&S?NRP67T（N）300nW~100mW,DC~67GHzR&S?NRP110T300nW~100mW,DC~110GHz如果是針對功率探頭的計量，需要功率標準，參考型號：R&S?NRPC18DC~18GHzR&S?NRPC33DC~33GHzR&S?NRPC40DC~40GHzR&S?NRPC50DC~50GHz3.3、峰值功率分析脈沖調(diào)制信號，通常采用峰值功率探頭測試，也就是寬帶二極管（智能多通道）探頭。其視頻帶寬決定其窄脈沖測試能力。選型參考型號：R&S?NRP-Z811nW~100mW,50MHz~18GHz，可檢測最小脈寬50nsR&S?NRP-Z851nW~100mW,50MHz~40GHz，可檢測最小脈寬50ns脈沖功率分析，通常的測試參數(shù)有功率參數(shù)和時間參數(shù)：脈沖功率；脈內(nèi)功率平坦度；上升沿過沖；脈內(nèi)功率滑降。脈寬和周期；脈沖重復(fù)頻率；上升下降沿。下圖（左）：單路信號脈沖功率測試；下圖（右）：兩路信號脈沖功率測試，可分辨兩路脈沖相對時間關(guān)系。3.4、大功率測試在大功率（可能高達幾十kW）測試場合，通常需要外接衰減器或定向耦合器。目前較先進的功率探頭可以進行S參數(shù)修正，也就是把外接裝置的全頻段S參數(shù)內(nèi)置在功率探頭，實現(xiàn)每個頻點的測試值自動修正。功率探頭內(nèi)置參數(shù)修正，導(dǎo)入外部衰減器S