便攜式功率分析儀設(shè)計(jì)----硬件設(shè)計(jì)（一）

第三章便攜式功率分析儀硬件設(shè)計(jì)

3.1微波功率測(cè)量原理

微波功率測(cè)量電路的連接方式一般分為終端式和通過式兩種。終端式接法是把待測(cè)的信號(hào)功率直接送入功率計(jì)。即以功率探頭為吸收負(fù)載，由它把吸收的微波功率轉(zhuǎn)換為可以指示的某種電信號(hào)，再由指示器給出待測(cè)功率值。這種方法適用于測(cè)量發(fā)射裝置或微波信號(hào)源的輸出功率。通過式接法是按已知比例從主傳輸線上耦合出部分功率來測(cè)量主傳輸線所接負(fù)載吸收的凈功率，或用來監(jiān)測(cè)主傳輸線上傳輸功率的情況。

功率方程是功率測(cè)量線路中正確分析待測(cè)功率值的基礎(chǔ)。將功率探頭接到待測(cè)功率源的輸出端T面，T面相當(dāng)于由一段特性阻抗Zo的無耗傳輸線相連接。當(dāng)源端和負(fù)載端阻抗都本等于Zo時(shí)，設(shè)T面上的源和負(fù)載的反射系數(shù)分別為Γg=(Zg -Zo)/(Zg +Zo)和ΓL=(ZL -Zo)/(Z L +Zo)。由此得出：(1)測(cè)量功率源輸出，實(shí)際上是要求測(cè)量功率源向無反射負(fù)載的輸出功率P o，只有當(dāng)終端式功率計(jì)的ΓL=0時(shí)，才能準(zhǔn)確測(cè)出P o。(不管|Γg|是否為零)。只有|Γg|也同時(shí)為零時(shí)，才能測(cè)出資用功率P A(因?yàn)椴豢赡芤蠊β侍筋^的反射系數(shù)與待測(cè)源反射系數(shù)共扼匹配)。可見，為提高功率測(cè)量精確度，要求終端式功率計(jì)的ΓL盡可能小，以減小失配不確定因子1/(1±|ΓgΓL|)2的作用。一般情況下，終端功率計(jì)指示的功率是P o，|Γg|和|ΓL|引入失配誤差。

功率計(jì)一般包括功率探頭和指示器兩部分。這兩部分根據(jù)靈敏度、精確度的不同，而使探頭的結(jié)構(gòu)和指示電路的繁簡(jiǎn)程度也不相同，種類繁多。

功率探頭的基本功能是把待測(cè)微波功率轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)的電信號(hào)，如檢波器輸出的直流信號(hào)，惠斯登電橋的失街電流、熱電偶的熱電壓等。其結(jié)構(gòu)隨可承受功率的大小及使用要求而不同。

功率指示器的基本功能是把可測(cè)電信號(hào)變換為可指示電信號(hào)，經(jīng)過定度，使其讀數(shù)直接表示微波功率值。它一般包括變換放大解調(diào)和表頭指示電路兩部分。

前者的功能是放大可測(cè)電信號(hào)，提高功率計(jì)靈敏度和指示精度;后者常用的是電工表頭或數(shù)字指示電路。最簡(jiǎn)單的功率指示電路也可以不用變換放大解調(diào)，而直接指示可測(cè)電信號(hào)。如常用的晶體檢波器，在連續(xù)波工作時(shí)，它輸出的可測(cè)電信號(hào)是直流電壓(或電流)、若這個(gè)電壓(或電流)足夠大，就可直接由數(shù)字電壓表或微安表頭指示。

3.1.1現(xiàn)代射頻脈沖功率測(cè)量方法

微波脈沖設(shè)備在現(xiàn)代電子設(shè)備及電子武器中占有重要地位。例如雷達(dá)、數(shù)字通信系統(tǒng)和電磁導(dǎo)彈、核武器的發(fā)射器等，都需測(cè)量其脈沖峰值功率。目前，人們正在研究將產(chǎn)生周期性或非周期性的大功率短脈沖電子設(shè)備，作為高功率微波武器。對(duì)這種高功率短脈沖微波信號(hào)，無論是研究它對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生的下擾，還是研究它對(duì)生命體產(chǎn)生的傷害作用，都要求研究其峰值功率的測(cè)量方法。特別是對(duì)極短脈沖峰值功率的測(cè)量，由于耦合元件過渡歷程的影響，使通過式擴(kuò)展功率法在測(cè)量上產(chǎn)生很大困難。因此，研究微波脈沖峰值功率的測(cè)量方法，也是近代微波測(cè)量的任務(wù)之一。

由功率的原始公式P=I 2 R，可以知道，功率就是單位時(shí)間內(nèi)，在電阻上產(chǎn)生的熱量。而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。調(diào)制信號(hào)的平均功率P AV定義為，在許多個(gè)周期內(nèi)取平均的功率，其表達(dá)式為：

式中T 0——載波信號(hào)周期;

n——載波信號(hào)周期數(shù);

p(t)——功率瞬時(shí)值。

脈沖功率P p定義為，在一個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間τ內(nèi)取平均的功率，其表達(dá)式為：

式中，τ是脈沖寬度。

脈沖峰值功率P pp定義為脈沖調(diào)制峰值處的射頻平均功率，其表達(dá)式為：

式中，p V是調(diào)制脈沖在恒定負(fù)載電膽R兩端的峰值電壓。

顯然，對(duì)于理想的矩形脈沖，其峰值功率等于脈外功率。人們通常所述的脈沖功率，其調(diào)制波形均系指矩形調(diào)制脈沖。

依據(jù)以上理論，現(xiàn)代功率測(cè)量采用了多種方法。在射頻和微波段常采用以下幾種方法：

量熱計(jì)法：將電磁能量轉(zhuǎn)換成熱能來測(cè)量。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)系來確定被測(cè)功率。

測(cè)熱電阻法(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測(cè)量功率。

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)確度的電橋來單獨(dú)測(cè)量功率。

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，以此來測(cè)定功率。這些使用熱效應(yīng)法的功率計(jì)因?yàn)槠涫軠囟扔绊懞艽?，所以結(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。

以上這些功率計(jì)是熱效應(yīng)功率計(jì)，諾加熱敏電阻、鎮(zhèn)流電阻和熱偶等熱效應(yīng)微波傳感器，它們的熱學(xué)時(shí)間常數(shù)較大。當(dāng)被測(cè)信號(hào)是周期性脈沖時(shí)，這些功率傳感器通常跟不上脈沖包絡(luò)的變化，因而不能顯示脈沖峰值功率。在穩(wěn)定狀態(tài)下，這種熱效應(yīng)功率計(jì)的讀數(shù)，只能表示該射頻脈沖在重復(fù)周期內(nèi)的平均功率，由此可見并不能滿足射頻微波方向的應(yīng)用。迄今，其響應(yīng)速度能真實(shí)地跟上脈沖調(diào)制，并用于峰值電平測(cè)量的功率傳感器，是晶體二極管(用于低功率測(cè)量)和真空二極管(用于高功率測(cè)量)。通常用于測(cè)量峰值脈沖功率的經(jīng)典方法主要是：平均功率法和峰值檢波功率測(cè)量法。