在射頻中如何實現功率的精確測量

2021-01-22 電子產品世界

　　PA功率分析儀功率單元有兩路輸入：電流和電壓。FPGA和DSP等運算直接獲得的測量數據只有電壓和電流的ADC直接測量的結果，功率、效率、諧波等均以電壓電流測量為基礎，通過運算獲得的結果，如功率就是使用電壓和電流直接測量結果進行的運算。所以電壓電流測量的準確性就顯得至關重要，導體的電阻率會隨溫度變化、器件老化、線路共模/串模幹擾、測量走線接線方式、電路接線方式等都會影響測量結果，本文重點講解測量接線方式、電路接線。

　　1.測量走線接線方式

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/333943.htm

　　1)不規則連接--最差的接線方式

　　圖 1、圖 2兩條測量線比較分散，形成很大的環路，當環路中有變化的磁通通過時，根據電磁感應原理，將在環路中產生與磁通同樣變化的噪聲電壓，儀器測到的值不真實。

　　

　　圖 1 電壓不規則接線方式

　　

　　圖 2 電流不規則接線方式

　　2)一般接線方式—平行走線

　　圖 3、圖 4相比分散的連接方式，測量線形成的環路很小，僅限於連根線之間。

　　

　　 圖 3 電壓平行走線接線方式

　　

　　圖 4 電流平行走線接線方式

　　3)較好的連接方式—雙絞線

　　圖 5使用雙絞線連接被測信號，與平行走線相比，雙絞線把環路細分到每個絞合環，相鄰的絞合環對外部磁場產生相反的噪聲電壓從而抵消掉。

　　

　　圖 5 電壓雙絞線接線方式

　　

　　圖 6 電流雙絞線接線方式

　　4)理想的接線方式—同軸電纜

　　圖 7、圖 8對稱的同軸電纜外層導體中心與內導體重合，等效面積為0，因此有很好的磁場屏蔽效果。

　　

　　圖 7 電壓同軸電纜接線方式

　　

　　圖 8 電流同軸電纜接線方式

　　2.電路連接接線方式

　　功率耗損影響

　　使用和負載匹配的接線方式可以降低功率損耗對測量精度的影響，以下是考慮電源和負載電阻的情況。參考前期微信文檔《功率測量儀器的「特徵阻抗」》中電流表損耗定義

　　P=I2Ri

　　電壓表損耗定義

　　P=U2/RV，電壓表和電流表內阻乘積平方根暫且稱為儀器的「功率特徵阻抗」，當負載電阻RL>RP時，電壓表損耗大，推薦電流表內接法， 當負載電阻RL

　　舉例PA5000，電壓輸入阻抗Rv約2MΩ，電流輸入阻抗Ri約100mΩ，電流量程選擇1A，電壓量程選擇300V，電壓電流功耗函數圖 9，此時Rp=200，當負載電阻RL約大於447.2Ω時，推薦電流表內接，反之外接，示意圖圖 10。

　　

　　圖 9 電壓電流表功率損耗函數圖

　　

　　圖 10 內外接判定標準圖

　　1)電流表外接---測量較大電流

　　將電壓測量迴路連到近負載一側。電流測量迴路測得流經負載的電流IL和流經電壓測量迴路的電流IU之和。因為測量迴路電流為IL，所以誤差僅為IU，對測量精度的影響為IU/IL。

　　

　　圖 11 電流表外接圖

　　2)電流表內接--測量小電流

　　將電流測量迴路接到近負載端。電壓測量迴路測得的電壓等於負載電壓eL和電流表兩端的電壓eI之和。因為測量迴路電壓為eL，誤差為eI。對測量精度的影響為RI/RL 。

　　

　　圖 12 電流表內接

雜散電容的影響

　　將儀器的電流輸入端子連接到接近電源接地電位的一端，可以降低雜散電容對測量精度的影響。

　　電壓測量迴路和電流測量迴路內部結構圖，如圖 13，因為外部機箱與屏蔽盒絕緣，所以存在雜散電容Cs。而誤差正是由該雜散電容產生的電流形成的。

　　

　　圖 13 測量迴路內部結構圖

　　作為舉例，將考慮電源的一端和外部機箱接地的情況。

　　這種情況下可以考慮2種電流，負載電流IL和通過雜散電容的電流ICs如圖 15虛線所示，IL從電流測量迴路流經負載回到電源。如點劃線所示，ICs從電流測量迴路流經雜散電容、外部機箱接地回到電源。

　　因此，在電流測量迴路即使只測量IL，得到的也是IL與ICs的和(矢量和)，誤差僅為ICs。假設施加於Cs的電壓是VCs (共模電壓)，可以通過以下公式求取ICs。因為ICs相位超前電壓90°，所以功率因數越小，ICs對測量精度的影響就越大。ICs= VCs × 2πf × Cs。

　　

　　圖 14 電流輸入端子連到靠近電源高端

　　

　　圖 15 雜散電容帶來影響

　　如果將電流輸入端子連到靠近電源地電位的一端，如圖 11，電流測量迴路的低端(LO)接近地電位，VCs約等於零，ICs幾乎不流通。這樣就降低了對測量精度的影響。

　　電壓正反接影響

　　1)電壓反接

　　接地的信號源電壓加在屏蔽殼對地電容Cs上，形成額外的洩露電流ICs，在信號源內部和LO測試線阻抗上造成壓降。

　　

　　圖 16 電壓反接

　　2)電壓正接

　　信號源電壓加在屏蔽殼對地電容上的電壓很小，ICs為零，沒有額外的洩露電流。

　　

　　圖 17 電壓正接

　　綜上，為了實現精確測量，測量走線選用雙絞線或者同軸電纜，根據實際情況選擇適合的接線方式，電壓高端和低端確保不接反。


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