功率探頭的原理及選型
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1、引言
本文引用地址：http://2s4d.com/article/201807/384015.htm信號的功率測試，通常以功率計的測試結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)。
現(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(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。
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(zhǔn)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(zhǔn);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(dāng)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(jìn)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(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(jìn)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(zhǔn)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(jìn)而分析實時功率值。
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)確的功率測量值，每個探頭必須有精確的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。現(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。
現(xiàn)代功率探頭在測量前無需外置源校準(zhǔn)，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(zhǔn)過程。
為了保證測量準(zhǔn)確度，功率探頭需要送到計量單位溯源和校準(zhǔn)，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(zhǔn)，無需修改數(shù)據(jù)。
如果計量單位采用原廠功率標(biāo)準(zhǔn)，例如RS NRPC，計量RS功率探頭，那么計量過程可以實現(xiàn)真正的“校準(zhǔn)”，可以自動擦寫探頭內(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(zhǔn)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：
| RS®NRP8S（N） | 100 pW ~ 200 mW, 10 MHz ~ 8 GHz |
| RS®NRP18S（N） | 100 pW ~ 200 mW, 10 MHz ~ 18 GHz |
| RS®NRP33S（N） | 100 pW ~ 200 mW, 10 MHz ~ 33 GHz |
| RS®NRP40S（N） | 100 pW ~ 100 mW, 50 MHz ~ 40 GHz |
| RS®NRP50S（N） | 100 pW ~ 100 mW, 50 MHz ~ 50 GHz |
| RS®NRP6A（N） | 100 pW ~ 200 mW, 8 kHz ~ 6 GHz |
| RS®NRP18A（N） | 100 pW ~ 200 mW, 8 kHz ~ 18 GHz |
3.2、信號平均功率計量和校準(zhǔn)
從準(zhǔn)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(zhǔn)，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：
| RS®NRP18T（N） | 300 nW ~ 100 mW, DC ~ 18 GHz |
| RS®NRP33T（N） | 300 nW ~ 100 mW, DC ~ 33 GHz |
| RS®NRP40T（N） | 300 nW ~ 100 mW, DC ~ 40 GHz |
| RS®NRP50T（N） | 300 nW ~ 100 mW, DC ~ 50 GHz |
| RS®NRP67T（N） | 300 nW ~ 100 mW, DC ~ 67 GHz |
| RS®NRP110T | 300 nW ~ 100 mW, DC ~ 110 GHz |
如果是針對功率探頭的計量，需要功率標(biāo)準(zhǔn)，參考型號：
| RS®NRPC18 | DC ~ 18 GHz |
| RS®NRPC33 | DC ~ 33 GHz |
| RS®NRPC40 | DC ~ 40 GHz |
| RS®NRPC50 | DC ~ 50 GHz |
3.3、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：
| RS®NRP-Z81 | 1nW~100mW, 50MHz~18GHz，可檢測最小脈寬50ns |
| RS®NRP-Z85 | 1nW~100mW, 50 MHz~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(dá)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(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參數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行大功率信號精確功率測試：
4、測量數(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量功率，并發(fā)送出測量數(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TCP/IP協(xié)議遠(yuǎn)程訪問功率探頭。
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