功率探頭的原理及選型

2017-03-24 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

【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(cè)試原理,分析各種探頭技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景,使工程師可以選擇合適的功率探頭,獲得準(zhǔn)確的功率測(cè)試值。另外,本文還涉及探頭自身的修正技術(shù)以及測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫妗?

1. 引言

信號(hào)的功率測(cè)試,通常以功率計(jì)的測(cè)試結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)代功率探頭具有以下特點(diǎn):數(shù)字化,小型化;探頭完成所有測(cè)試功能,和測(cè)試數(shù)據(jù)的采集;無(wú)需主機(jī),可以由包括手機(jī)在內(nèi)的具有操作系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行探頭控制和數(shù)據(jù)分析。

針對(duì)不同的測(cè)試目的和任務(wù),如何選用合適的功率探頭,是擺在每個(gè)射頻工程師面前的問(wèn)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(gè)類別;二極管探頭又分為單通道、多通道和寬帶(峰值)幾個(gè)類別。

從應(yīng)用場(chǎng)合看,熱電探頭小功率(1mW左右)測(cè)試準(zhǔn)確度高,功率測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍小,適合射頻微波信號(hào)平均功率的計(jì)量校準(zhǔn);二極管探頭功率測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大,速度快,適合研發(fā)測(cè)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(hào)經(jīng)過(guò)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(cè)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(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)處的溫度不同時(shí),回路中將產(chǎn)生溫差電勢(shì),電勢(shì)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(jì)中的熱偶結(jié)直接吸收高頻信號(hào)功率,熱結(jié)點(diǎn)溫度升高,產(chǎn)生溫差電勢(shì),電勢(shì)的大小正比于吸收的射頻功率值,進(jìn)行功率測(cè)量。

為了提高熱電偶的靈敏度,可將多個(gè)熱電偶串聯(lián)起來(lái)組成熱電堆;熱電堆的輸出電壓(輸出溫差電動(dòng)勢(shì))是多個(gè)熱電偶的輸出電壓之和。

綜合考慮測(cè)試頻率范圍、功率范圍和準(zhǔn)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(hào)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(shuō)正比于輸入電壓幅度的平方,通過(guò)輸出電壓的測(cè)量,得出功率測(cè)量值。

單通道二極管的功率測(cè)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(cè)量,對(duì)一組三通道測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行智能判斷和修正。通過(guò)這種方法,可以實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍(-70dBm~+23dBm)功率的準(zhǔn)確測(cè)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(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于特殊測(cè)試應(yīng)用,如峰值功率測(cè)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(cè)試更窄的脈沖,獲得連續(xù)的脈沖信號(hào)功率變化曲線,進(jìn)而分析實(shí)時(shí)功率值。

2.3 功率探頭的調(diào)零校準(zhǔn)與數(shù)值修正

功率探頭的作用是獲得準(zhǔn)確的功率測(cè)量值,每個(gè)探頭必須有精確的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)代功率探頭的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)一般內(nèi)置在探頭內(nèi)置存儲(chǔ)器中。功率探頭的校準(zhǔn)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(cè)信號(hào),輸出端直接是測(cè)試數(shù)據(jù)(測(cè)量值),數(shù)據(jù)修正是在測(cè)量中自動(dòng)完成的。

現(xiàn)代功率探頭在測(cè)量前無(wú)需外置源校準(zhǔn),因?yàn)樘筋^內(nèi)部有參考源和參考溫度,“調(diào)零”過(guò)程就包含了以前的測(cè)量前校準(zhǔn)過(guò)程。

為了保證測(cè)量準(zhǔn)確度,功率探頭需要送到計(jì)量單位溯源和校準(zhǔn),如果計(jì)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(cè)量不確定度范圍之內(nèi),則此探頭通過(guò)校準(zhǔn),無(wú)需修改數(shù)據(jù)。

如果計(jì)量單位采用原廠功率標(biāo)準(zhǔn),例如R&S NRPC,計(jì)量R&S功率探頭,那么計(jì)量過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)真正的“校準(zhǔn)”,可以自動(dòng)擦寫探頭內(nèi)部修正數(shù)據(jù),誤差歸零;當(dāng)然,如果用NRPC計(jì)量其他公司探頭,僅能完成“計(jì)量”過(guò)程,給出誤差而不能擦寫內(nèi)置數(shù)據(jù)。

3. 功率計(jì)(探頭)應(yīng)用及選型

3.1 通用大動(dòng)態(tài)功率測(cè)量

兼顧測(cè)試準(zhǔn)確度和測(cè)量動(dòng)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(hào):

R&S®NRP8S(N)	100 pW ~ 200 mW, 10 MHz ~ 8 GHz
R&S®NRP18S(N)	100 pW ~ 200 mW, 10 MHz ~ 18 GHz
R&S®NRP33S(N)	100 pW ~ 200 mW, 10 MHz ~ 33 GHz
R&S®NRP40S(N)	100 pW ~ 100 mW, 50 MHz ~ 40 GHz
R&S®NRP50S(N)	100 pW ~ 100 mW, 50 MHz ~ 50 GHz
R&S®NRP6A(N)	100 pW ~ 200 mW, 8 kHz ~ 6 GHz
R&S®NRP18A(N)	100 pW ~ 200 mW, 8 kHz ~ 18 GHz

3.2 信號(hào)平均功率計(jì)量和校準(zhǔn)

從準(zhǔn)確度考慮,平均功率的測(cè)試一般采用熱電堆智能探頭。

小功率信號(hào)(-10~+10dBm)的計(jì)量校準(zhǔn),選用熱電堆功率探頭,具有最佳測(cè)量不確定度。

另外,如果功率范圍在(-35dBm~+20dBm),并且只需要測(cè)量信號(hào)的平均功率,熱電堆功率探頭也是最佳選擇。

選型參考型號(hào):

R&S®NRP18T(N)	300 nW ~ 100 mW, DC ~ 18 GHz
R&S®NRP33T(N)	300 nW ~ 100 mW, DC ~ 33 GHz
R&S®NRP40T(N)	300 nW ~ 100 mW, DC ~ 40 GHz
R&S®NRP50T(N)	300 nW ~ 100 mW, DC ~ 50 GHz
R&S®NRP67T(N)	300 nW ~ 100 mW, DC ~ 67 GHz
R&S®NRP110T	300 nW ~ 100 mW, DC ~ 110 GHz

如果是針對(duì)功率探頭的計(jì)量,需要功率標(biāo)準(zhǔn),參考型號(hào):

R&S®NRPC18	DC ~ 18 GHz
R&S®NRPC33	DC ~ 33 GHz
R&S®NRPC40	DC ~ 40 GHz
R&S®NRPC50	DC ~ 50 GHz

3.3 峰值功率分析

脈沖調(diào)制信號(hào),通常采用峰值功率探頭測(cè)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(cè)試能力。

選型參考型號(hào):

R&S®NRP-Z81	1nW~100mW, 50MHz~18GHz,可檢測(cè)最小脈寬50ns
R&S®NRP-Z85	1nW~100mW, 50 MHz~40GHz,可檢測(cè)最小脈寬50ns

脈沖功率分析,通常的測(cè)試參數(shù)有功率參數(shù)和時(shí)間參數(shù):

脈沖功率;脈內(nèi)功率平坦度;上升沿過(guò)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(hào)脈沖功率測(cè)試;下圖(右):兩路信號(hào)脈沖功率測(cè)試,可分辨兩路脈沖相對(duì)時(shí)間關(guān)系。

3.4 大功率測(cè)試

在大功率(可能高達(dá)幾十kW)測(cè)試場(chǎng)合,通常需要外接衰減器或定向耦合器。目前較先進(jìn)的功率探頭可以進(jìn)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(shí)現(xiàn)每個(gè)頻點(diǎn)的測(cè)試值自動(dòng)修正。

功率探頭內(nèi)置參數(shù)修正,導(dǎo)入外部衰減器S參數(shù)數(shù)據(jù),進(jìn)行大功率信號(hào)精確功率測(cè)試:

4. 測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、傳輸和顯示

現(xiàn)代功率探頭能夠完成所有測(cè)量功率,并發(fā)送出測(cè)量數(shù)值。數(shù)據(jù)傳輸接口可以是專用主機(jī)接口,也可以是通用USB接口或網(wǎng)口。因此,除了功率計(jì)儀器,可使用其它帶有操作系統(tǒng)的設(shè)備,如電腦、其它儀器甚至手機(jī)。如果采用網(wǎng)口,可以用電腦通過(guò)TCP/IP協(xié)議遠(yuǎn)程訪問(wèn)功率探頭。

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