功率探頭的原理及選型

2021-01-09 電子產品世界

1、引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201807/384015.htm

信號的功率測試，通常以功率計的測試結果作為標準。

現代功率探頭具有以下特點：數位化，小型化;探頭完成所有測試功能，和測試數據的採集;無需主機，可以由包括手機在內的具有作業系統的設備進行探頭控制和數據分析。

針對不同的測試目的和任務，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

從探頭採用的技術類型劃分，可分為兩大類：熱電探頭和二極體探頭。熱電探頭又分為熱敏、熱偶和熱電堆三個類別;二極體探頭又分為單通道、多通道和寬帶(峰值)幾個類別。

從應用場合看，熱電探頭小功率(1mW左右)測試準確度高，功率測試動態範圍小，適合射頻微波信號平均功率的計量校準;二極體探頭功率測量動態範圍大，速度快，適合研發測試和工程應用。

2.1、熱電功率探頭

熱敏功率探頭採用熱敏電阻作為核心元部件，輸入信號經過熱敏電阻的功率被其吸收後溫度升高，電阻值發生顯著變化，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。將兩種不同的導體或半導體連接成閉合迴路，當兩個接點處的溫度不同時，迴路中將產生溫差電勢，電勢的大小正比於吸收的高頻功率值，這種現象稱為熱電效應，又稱為塞貝克(Seebeck)效應。利用熱電偶型功率計中的熱偶結直接吸收高頻信號功率，熱結點溫度升高，產生溫差電勢，電勢的大小正比於吸收的射頻功率值，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。

綜合考慮測試頻率範圍、功率範圍和準確度，熱電堆是目前最佳熱電功率探頭技術。

2.2、二極體功率探頭

二極體功率探頭採用半導體二極體作為核心元部件，採用平方率檢波，獲得功率值。所謂平方率檢波，就是在小信號範圍(-70dBm~-13dBm)，肖特基(schottky)二極體輸出電壓正比於輸入功率，或者說正比於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。

單通道二極體的功率測試範圍不夠高，現代智能探頭一般選用多通道方式。通常增設兩路不同前端衰減器的通道，與不加衰減器的通道並行測量，對一組三通道測試數據進行智能判斷和修正。通過這種方法，可以實現大動態範圍(-70dBm~+23dBm)功率的準確測量。

上述智能探頭採用不同的視頻濾波器(低通)，獲得更佳靈敏度和動態範圍。對於特殊測試應用，如峰值功率測量，採用寬帶視頻濾波器(如30MHz)，從而獲得更快的響應速度，能夠測試更窄的脈衝，獲得連續的脈衝信號功率變化曲線，進而分析實時功率值。

2.3、功率探頭的調零校準與數值修正

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據。現代功率探頭的校準數據一般內置在探頭內置存儲器中。功率探頭的校準數據，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據(測量值)，數據修正是在測量中自動完成的。

現代功率探頭在測量前無需外置源校準，因為探頭內部有參考源和參考溫度，「調零」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據與功率探頭原有數據偏差，在測量不確定度範圍之內，則此探頭通過校準，無需修改數據。

如果計量單位採用原廠功率標準，例如RS NRPC，計量RS功率探頭，那麼計量過程可以實現真正的「校準」，可以自動擦寫探頭內部修正數據，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置數據。

3、功率計(探頭)應用及選型

3.1、通用大動態功率測量

兼顧測試準確度和測量動態範圍(-70dBm~+23dBm)，通用功率探頭是二極體(智能多通道)探頭。

選型參考型號：

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

3.2、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採用熱電堆智能探頭。

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，如果功率範圍在(-35dBm~+20dBm)，並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 GHzRS®NRP33T（N）300 nW ~ 100 mW, DC ~ 33 GHzRS®NRP40T（N）300 nW ~ 100 mW, DC ~ 40 GHzRS®NRP50T（N）300 nW ~ 100 mW, DC ~ 50 GHzRS®NRP67T（N）300 nW ~ 100 mW, DC ~ 67 GHzRS®NRP110T300 nW ~ 100 mW, DC ~ 110 GHz

如果是針對功率探頭的計量，需要功率標準，參考型號：

RS®NRPC18DC ~ 18 GHzRS®NRPC33DC ~ 33 GHzRS®NRPC40DC ~ 40 GHzRS®NRPC50DC ~ 50 GHz

3.3、峰值功率分析

脈衝調製信號，通常採用峰值功率探頭測試，也就是寬帶二極體(智能多通道)探頭。其視頻帶寬決定其窄脈衝測試能力。

選型參考型號：

RS®NRP-Z811nW~100mW, 50MHz~18GHz，可檢測最小脈寬50nsRS®NRP-Z851nW~100mW, 50 MHz~40GHz，可檢測最小脈寬50ns

脈衝功率分析，通常的測試參數有功率參數和時間參數：

脈衝功率;脈內功率平坦度;上升沿過衝;脈內功率滑降。

脈寬和周期;脈衝重複頻率;上升下降沿。

下圖(左)：單路信號脈衝功率測試;下圖(右)：兩路信號脈衝功率測試，可分辨兩路脈衝相對時間關係。

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參數修正，也就是把外接裝置的全頻段S參數內置在功率探頭，實現每個頻點的測試值自動修正。

功率探頭內置參數修正，導入外部衰減器S參數數據，進行大功率信號精確功率測試：

4、測量數據的採集、傳輸和顯示

現代功率探頭能夠完成所有測量功率，並發送出測量數值。數據傳輸接口可以是專用主機接口，也可以是通用USB接口或網口。因此，除了功率計儀器，可使用其它帶有作業系統的設備，如電腦、其它儀器甚至手機。如果採用網口，可以用電腦通過TCP/IP協議遠程訪問功率探頭。

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