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文|贾文彬的史书
: X9 t1 r* q$ B; z6 L7 o2 P: \ 编辑|贾文彬的史书9 K- w( V- E) `. Q/ M& _0 f
在现代科学和工程领域中，微波功率测量是一项至关重要的技术。
# N) z( M: `- ^5 G0 Q 微波功率测量涉及到对微波信号的能量量化和评估，对于各种应用场景，如通信系统、雷达技术、卫星通信、射频设备和无线电频谱管理等领域，准确测量微波功率至关重要。 . q6 j7 y* [$ Q/ ?" o9 y* _1 q/ T, k
随着无线通信、射频设备和微波技术的快速发展，对于微波功率测量的需求也越来越迫切。
% P1 ^- s- D0 W% X7 @; D! ] 此外，在雷达系统中，准确测量微波功率是实现目标探测和跟踪的关键要素，因此，了解微波功率测量的原理和技术是从事相关领域研究和工程设计的基础。 . e- t$ c: @- `# A9 {
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微波功率7 M6 L. l' A \8 D% n |
“微波”一词通常用于频率在3 GHz至300 GHz之间的范围内，相应的电波波长分别为λ = c/f = 10 cm至λ = 1 mm，其中c为真空中的光速，f为频率。 : V8 c: c8 z y' W
通常将波长在毫米量级的信号称为毫米波，功率是能量转移、使用或转化的速率。
$ W" A# l# K1 ]8 k* u 电磁场的瞬时微波功率可以定义，E（t）和H（t）分别为时间t时的电场和磁场，S为进行功率测量的表面，在传输线中，功率可以表示为P(t)=V(t)×I(t)，其中V和I为线上的电压和电流。 2 L1 g4 S" X: ]. q3 m
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在实际应用中，瞬时电压、电流和场分布不易直接测量，因此，微波功率常通过代换技术或整流技术推导得到。
5 t6 q5 C: U5 g' Q# {( \ 功率的国际单位是瓦特（W），其中1W = 1千克·米²/秒³，为了方便展示和计算，功率比常常用分贝（dB）表示。
/ G$ s- C2 T6 r' {& m7 k5 n 以dBm为单位的功率定义是相对于1毫瓦的比值，即功率 Power(dBm)=10log 1毫瓦。
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/ ~: Q8 Q6 K( H# A 微波功率的范围可分为三个组别：高功率（大于1W），中功率（10毫瓦至1W）和低水平（小于10毫瓦），对于不同功率级别的功率测量，所用的技术和设备差异很大。
& O4 S3 k& Y, N5 l+ N 在功率测量方面，当观察正弦或其他复杂周期波形时，可以定义许多功率量，下图显示了脉冲波形的一个示例，其中可以进行多种功率测量，如平均功率、峰值功率。
4 T j. x% N- p 在进行测量之前，必须确定要测量的功率类型，以避免混淆和不兼容的结果，最常用的微波功率定义是平均功率、脉冲功率和峰值或峰包络功率。
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" }& x ]6 \2 Z) N 时间平均值
4 F( v- ]) M% J# ? @( s, E1 G 平均功率可以通过在一个很长的时间内对瞬时功率进行平均来获得，这个时间相对于单个脉冲的持续时间和相邻脉冲之间的时间间隔来说非常大。 3 |2 D# @7 A- g. G" Z' @" o1 i
例如，连续波的瞬时功率由一个直流分量和一个频率是波的两倍的变化分量组成，正弦波的平均功率是不随时间变化的直流分量。
& v" }; K: R7 p1 b 脉冲功率可以通过对单个脉冲或脉冲宽度τ持续时间内测得的功率进行平均来获得，脉冲功率在雷达应用中被广泛使用。 : Y8 S7 O: G1 X/ J) ^( \
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脉冲宽度通常被认为是脉冲上升和下降边缘的半幅度点之间的时间，下图显示了一个具有脉冲宽度τ和周期T的矩形脉冲，脉冲功率P表示在脉冲持续时间内平均的功率，因此其振幅比平均功率大。
% J; F/ k: q; J7 S 功率测量通常确定平均功率，但脉冲功率可以根据平均功率计算得出。
; q9 l! E$ M8 ] A5 I! g. Y# f 微波功率的最后一类是峰值功率或峰包络功率，主要用于调制信号的测量，峰值功率指的是脉冲中的最高功率点，如下图所示的上升时间过冲。
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确定峰值功率通常需要更复杂的测量方法， 通常情况下，如果脉冲形状或功率分布已知，脉冲和峰包络功率通常可以从平均功率中获得。
6 ]4 c- ^! T4 O1 x d1 \5 ^% l 二极管传感器
: `9 _ {, ~' p' M7 P 二极管检测器的原理基于 p-n 结的整流特性，可以将交流信号转换为直流信号，低势垒肖特基二极管广泛应用于微波频率下，因为它们非常坚固，并且从一个二极管到另一个二极管的特性是一致的。
3 d4 x' Z! K6 |; P, h# m( ] 肖特基二极管的非线性电流-电压曲线如下图所示。 3 y8 O1 D; U' ]$ T
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（a）低势垒肖特基二极管的整流特性，显示了原点附近的小信号、平方定律特性；（b）带有匹配电阻的源和二极管检测器的电路图。
0 t) }7 H, Q* T8 e$ B" H3 T. H3 Z 级数的第二项和其他偶次项提供了整流效应，对于小信号，第二项是显著的，因此二极管在平方定律区域内工作。
- p0 J8 @; ?9 E& D 在该区域内，输出电流 i 与微波输入电压的平方成正比，典型的低势垒肖特基二极管需要一个-20 dBm 的微波信号才能克服 0.3 V 的结电压，因此，平方定律操作适用于最大功率为-20 dBm 的信号。 $ z, f) Q; I1 i; U3 D" j
2 n+ k4 m# ? I& \ 上图(b)显示了用于检测低水平射频和微波信号的未偏置二极管器件的简化电路图，匹配电阻 Rmatching 作为微波源的终端。
3 E: G! C9 l3 u 二极管将微波电压整流为直流电压，旁路电容 Cb 用于去除通过二极管泄漏的任何微波信号，该设计可以检测信号从-70 dBm 的噪声水平到约-20 dBm。
8 T! V) P) h& l6 o 二极管检测器可以提供灵敏度和大的动态范围，在其平方定律区域内可以替代热传感器，然而，如果入射信号功率的尖峰超过了平方定律范围，将会出现数据错误。 3 h" i* F" \( j1 n' X& B- K
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由于其快速响应特性，二极管技术也可以用于测量峰值或包络功率，现代峰值和平均二极管传感器相比以前的二极管技术可以在更宽的动态范围内工作。
1 b/ q2 U8 Z! J0 G0 z; w2 N" Q 因此，二极管传感器技术是表征脉冲波形包络或复杂时变信号的理想解决方案。 " m* q- h- |5 @) q) Q
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热电传感器- ]7 s/ P, M; \5 J1 U, z& o+ ?
热电传感器是基于热电偶原理的，当金属棒的两端具有不同温度时，由于电子从它们的原子中扩散，会产生一种称为汤姆逊电动势的电压。 * D# B; P5 S7 t
在不同金属的结合处，相异金属中不同的自由电子密度会导致扩散和电动势的产生，热电偶的输出电压是沿着两金属电路产生的几个热电压的总和。
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图中（a）由两种不同金属组成的热电偶[10]；（b）热电偶检测器的简化电路图，(b)展示了一个热电检测器的基本电路。
3 Z$ _5 Z7 Z v$ W) T! r) y0 { 终端受到入射微波功率的加热，热能传递给热电偶，然后形成一个热结，由热电偶产生的电压可用于确定所施加的微波功率的大小。
$ Z9 h R6 l9 x1 |; ]& b+ ]. P. s 通过热电偶测量功率具有高灵敏度和平方定律的检测特性，热电传感器的动态范围为-35 dBm 至+20 dBm ，由于热电偶是基于热能的，它们用于测量平均功率。
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- { P) C( L# @0 Q' P7 A0 [# g 热敏传感器7 S) n3 d5 d& M8 ]6 P4 Q
在射频和微波功率测量中具有历史上的重要地位，因为它是一种真正的平均功率传感器，这种传感器类型是线性的、敏感的、准确的和非常坚固的。 / n7 C& `2 A: {, t, ?/ b5 X
热敏传感器最早用于测量红外功率，现在广泛应用于微波功率测量，热敏传感器的感测元件能够将入射的微波功率耗散，并将热量转化为电阻的变化。
: v% ^! o4 K6 Y6 O1 A 通过测量电阻的变化，可以确定所施加的微波功率的大小，换句话说，对微波功率的测量被替代为对直流功率的测量，将微波功率替换为直流功率是通过电表电路来完成的。
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从历史上看，有两种流行的热敏传感器类型，分别是巴雷特电阻和热敏电阻，巴雷特电阻是一个适当安装的非常细的短金属丝，通常是铂金，其长度和直径使其具有适当的电阻。 Z0 F( F# J* |( p% R) p& }
当巴雷特电阻经历温度上升时，电阻增加，因此巴雷特电阻具有正温度系数（PTC），热敏电阻是一个根据其本体温度变化而改变电阻的电子元件，正如其名称所示。
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在微波测量中，NTC热敏电阻优于巴雷特电阻，因为它们可以提供更小的尺寸和更好的功率处理能力。 3 p7 C) p8 ~# i; X n& _
热敏传感器是在-10 dBm至+10 dBm范围内最常见的探测器类型，它们的灵敏度以欧姆每毫瓦计，并且与频率无关。 - \0 T6 ~# A# J j$ X+ t
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测量技术讨论3 Z2 v8 ?$ j3 e* H
以上每种类型的传感器都有其优点和缺点，二极管技术可以提供最宽动态范围，从1纳瓦特到100毫瓦，二极管同轴传感器可达50 GHz ，波导传感器可达1.1 THz。 & l' K% \* s+ S3 \9 y+ i- i- i
热电传感器在较小的功率范围内，从1微瓦到100毫瓦，具有稍高的精确度，此类传感器的同轴型可达110 GHz，商业波导热电传感器可工作到260 GHz。
. U$ g+ l: a c7 ^5 z% F# W; H 热敏功率传感器的范围最小，从10微瓦到10毫瓦，这种类型的传感器已在同轴和波导设计中报告到140 GHz。 & r F' n4 u! f( a
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使用热电偶和肖特基二极管进行功率测量称为开环测量，因为没有反馈来校正由于老化或温度以及传感器之间的差异而产生的不同灵敏度。
B& r: T' k9 t9 N( e& ~8 ?$ R 结果是，相同的射频或微波功率对应的传感器输出电压可能不同，可以通过引入功率参考振荡器来解决这个问题，其输出功率可以非常准确地进行控制。
3 ?3 p- U4 R3 X6 S1 c- k u$ c* X 然而，参考功率需要特殊的注入配置，即波导到同轴适配器，这可能会增加传感器的总反射系数并增加测量的不确定性。 - r' h/ i: v# @; u# u, i( ~
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另一方面，使用热敏传感器及其电表电路进行测量是闭环的，因为感测元件的电阻变化触发反馈信号到射频到直流功率替代，以保持电阻恒定，与整流二极管或直接加热热电偶相比，功率检测原理与现有的热量计方法兼容。
/ g& Y; g3 p- F 高频（HF）功率追溯性需要在已发展的电磁频谱范围内保持，并且也需要在更高频率上为未来的应用建立追溯性。
# `, r3 J- _5 }8 }( w* E2 E9 q 微波功率（50 GHz到300 GHz范围内）是其中之一，由于缺乏与国际单位制的追溯性，无法确信地进行测量。
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此外，为了验证高频辐射安全限值，需要追溯与功率相关的量，例如功率通量密度、电场和磁场强度。 : U$ @9 V2 `- [1 d! n/ a7 k1 ~
从技术上讲，这些量直接与HF功率相关，因此，缺乏功率测量的追溯性将直接导致无法执行重要的安全立法。
% _. r. @) I8 D) c% j( Y& ` 为了提供高频功率的追溯性，需要两个基本构建模块，一个是可追溯的微波功率传输传感器，另一个是用于校准前者的热量计。 + ^" ? _6 ^$ ^. p
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商用传感器的校准直接源于已校准的传输标准传感器的可用性以及将标准与商用传感器进行比较的技术。
: F" i" }0 ]; J: p- ` 标准功率传感器已经针对两种传输线系统开发：同轴线或矩形波导，这种类型的同轴线热量计和功率标准可在英国国家物理实验室（NPL）获得，频率可达50 GHz。
_* }" }7 \% t 对于更高频率，目前正在使用波导传输传感器作为校准标准来直接比较装配式传感器。 3 |) T. @& G2 s+ F" O3 ^
同轴线系统中的可追溯测量能力，目前在一些欧洲国家计量研究所和少数经过认可的校准实验室中可用，适用频率高达67 GHz。
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7 b* K# U1 \) V6 ~& O% _ 结论
# O; ^* d3 j5 v. \. h 在波导方面，NPL已经开发了高达110 GHz的微型热量计，据了解包括日本和中国在内的几个国家计量研究所正在积极开发自己的微型热量计，以支持国内的工业和科学测量需求，其频率超过110 GHz。 & V, \" ^5 f$ {# u' B) F. {
英国的校准服务在GHz以上的延续受到威胁，因为热敏电力传感器的生产在上世纪90年代停止，而110 GHz以上的传感器极为罕见。
+ }2 z/ Y/ p) c; w （笔者观点）目前，现代商用HF功率传感器可达110 GHz（同轴）和1.1 THz（波导），但它们不适合作为直接可追溯的传递标准，它们的检测原理基于矩形化或热电偶的直接加热效应，与现有的热量计方法不兼容。 5 C' _0 ~5 {% I! h8 N, }
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