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 功率測量儀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，電勢的大小正比于吸取的高頻功率值，進(jìn)展功率測量。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說明白熱敏電阻功率計(jì)的大體原理。圖2〔a〕的電路說明關(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)加到檢測熱敏電阻和補(bǔ)償熱敏電阻上的偏置信號(hào)來取得功率讀數(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)閉合的電子開關(guān)，從而在儀表測量部件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40GHz5圖5圖5熱電偶功率計(jì)原理簡圖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?，F(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，因此聽從冪次關(guān)系。圖9給出的數(shù)聽說明，工作在平方律區(qū)域時(shí)，檢測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信號(hào)功率起響應(yīng)，某些功率傳感器設(shè)計(jì)將測量范圍限制在平方律區(qū)域之內(nèi)。這種傳感器能測量低達(dá)(-70dBm)的功率電平，且它們將完成與外加信號(hào)的波形無關(guān)的精準(zhǔn)功率測量。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外加電壓的峰值起響應(yīng)的線性檢波器。圖9說明，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)的功率相對應(yīng)的讀數(shù)。用于測量持續(xù)波信號(hào)的平均功率的功率計(jì)不能精準(zhǔn)測量帶有任何幅度調(diào)制形式的信號(hào)的功率。那個(gè)問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沒有修正那個(gè)誤差的方式。圖10所示的全波檢波器對峰峰電壓進(jìn)展檢測，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)原理簡圖轉(zhuǎn)變。檢測元件通常