功率放大电路特点及测量方法【微波功率测量方法】

时间：2019-04-25 03:35:57　来源：柠檬阅读网本文已影响人

　　[摘要]对于大多数射频微波系统，围绕功率的评价贯穿于系统设计、制造直至进入商业领域流通的整个过程。确定振荡源的输出功率、接收机的测试准确度和接收灵敏度、放大器的增益、无源器件的衰减损耗等都离不开功率的测量。
　　[关键字]二极管检测功率法等效热功耗检测法真有效值/直流转换检测功率法对数放大检测功率法
　　随着无线通信技术的迅速发展，对于频谱资源的利用愈发的紧张，不得不向射频微波频段迅速扩展，这使得射频微波技术得到了迅猛的发展。在频率低于微波的频段，便于测量的电压、电流及频率是研究低频和高频电路的基本参量，但是在射频微波领域便于计量的场分布（驻波）、功率和频率就成了最基本的三个测试量，通过对这三个基本量的测试可以导出其他有用的参量。
　　微波功率是表征微波信号的一个重要参数，首先功率是一个表征能量传输的参数，其次一个系统的功率输出常常是衡量系统性能的关键指标。对于大多数射频微波系统，围绕功率的评价贯穿于系统设计、制造直至进入商业领域流通的整个过程。确定振荡源的输出功率、接收机的测试准确度和接收灵敏度、放大器的增益、无源器件的衰减损耗等都离不开功率的测量。因此，射频微波功率计成为射频工程师一个必不可少的测试工具，在我们对射频微波技术的理论研究，教学以及产品的设计、研制和调试过程中都需要使用功率计对某些信号的功率进行测量，根据测量结果来解决有关的技术问题，尤其是微波技术中某些理论上难以定量分析的课题，更依赖于运用功率计对于信号功率的测量，进而进行分析和研究。
　　功率测量随其应用范围的不同有很大的区别，影响功率测量的因素主要有信号的频率范围、功率动态范围、功率电平、信号的频谱功率总量以及信号的调制方式等，因此只有熟悉各种功率测量方法的基本工作原理，并对输入信号的调制方式和频谱有深入的了解，选择合适的功率测量方法，才能获得准确的功率测量精度。
　　目前对于功率的测量，通常都是对平均功率、脉冲功率、峰值功率包络功率和有效值功率进行测量。平均功率是指信号在若干个周期内传送能量的平均速率；脉冲功率是指信号在脉冲宽度内的能量传输速率；峰值包络功率是指信号包络的最大功率；有效值（RMS）也称均方根值，有效值电压被定义为对输入交流信号u先进行平方运算，再取平均值，然后再做开平方运算从而得到的电压值。根据有效值定义计算出的功率称为“真有效值功率”，简称“真功率”。
　　对于平均功率的测量，通常采用二极管检波器、热电偶和热敏电阻这三种器件传感和测量；而峰值功率测量通常才用平均功率—占空比法、陷波瓦特计法和直流—脉冲功率比法；使用二极管检测功率法、等效热功耗检测法、真有效值/直流转换（TRMS/DC）检测功率法和对数放大检测功率法对有效值功率进行测量。下面对有效值功率测量的4种方法做详细的介绍，并对各自优缺点加以比较。
　　二极管检波电路如图1所示：
　　
　　图1用二极管检测输入功率的电路
　　电路中的VD是检波二极管、C是高频滤波电容，R2检波电路的负载电阻，R1是匹配负载，该电路的总输入电阻为50Ω。检波输出信号的平均值是直流，其大小表示检波电路输出信号的平均幅值大小。检波输出信号中还有高频载波信号，这一信号没有用，通过接在检波电路之后的滤波电容滤掉了。二极管检波电路是以平均值为响应的，其不能直接测量输入信号的有效值，而是根据正弦波平均值与有效值的关系，从而间接测量有效值功率。很显然，当被测波形不是正弦波时，波峰因数就不是1.4142，此时便会产生较大的测量误差。
　　等效热功耗检测法
　　基于有效值的第二种定义提出了等效热功耗检测法。此方法通过未知的一个交流信号的等效热量和一个直流参考电压的有效热量进行比较来测量功率。当电阻R1与参考电阻R2的温差为零时，两个电阻的功耗就是相等的，从而未知信号电压的有效值就通过直流参考电压的有效值得到了。R1、R2为匹配电阻，均采用温度系数低的电阻，二者的压降分别为KUI、KUO。此外，还在R1、R2附近分别接着电压输出式温度传感器A和B来测量温差，也可选用两支热电偶来测量温差。
　　等效热功耗检测法的检测电路如图2所示。其原理非常简单，但是由于这种检测设备的价格非常昂贵，在实际应用中通常不采用这种方法。
　　
　　图2等效热功耗检测法的电路
　　真有效值/直流（TRMS/DC）转换检测功率法
　　测量结果与被测信号的波形无关是真有效值/直流转换检测功率法的最大优点。因此，此方法能准确测量任意波形的真有效值功率。第一种测量真有效值功率的方法是采用单片真有效值/直流转换器，先测量出真有效值电压电平，之后再转换成真有效值功率。
　　测量真有效值功率的另一种电路框图如图3所示，当电路状态达到稳定时，输出电压UO（DC）就与输入信号有效值功率PIN成正比例关系。数学表达式如下：
　　
　　式1中的 k为真有效值/直流转换器的输出电压灵敏度。
　　
　　图3TRMS/DC测量有效值功率的电路框图
　　这种检测方法的优点是：①由于这个电路中两个平方器完全相同，所以在改变量程时不会影响转换精度；②因为两个平方器能够互相补偿，所以即使环境温度发生变化时，也不会改变输出电压；③电路中所用平方器的频带非常宽，可从直流一直到微波频段。
　　对数放大检测功率法
　　对数放大检测器是由多级对数放大器构成的，其电路框图如图4所示。
　　
　　图4 对数放大检测器的电路框图
　　对数检波器能对输入信号的包络进行对数运算，其输出电压与kS、PIN的关系式为：
　　
　　式2中的kS为斜率，b代表截距，即输出电压为零时的输入功率。对数检波法的优点是动态范围大并且斜率恒定。
　　一般来说，对数检波器的特性曲线仅适用于正弦波输入信号。当输入信号不是正弦波时，特性曲线上的截距会发生改变，从而影响输出电压。此时应对输出电压值进行修正，不同输入波形的输出修正值不同。然而，尽管ADI公司生产的射频真有效值功率芯片AD8318也属于对数检波器件，但AD8318采用独特的专利技术使其能够适用于任何输入信号波形，并且在特性曲线上，截距不随输入信号变化而变化。
　　由此，对数检波器动态范围大，带宽比较宽，并且具有精确对数一致性，所以采用能够测量真有效值的对数检波器对射频功率进行测量是目前较为常见的方法。
　　
　　参考文献：
　　[1]戴晴,黄纪军,莫锦军.现代微波与天线测量技术[M].北京：电子工业出版社,2008
　　[2]和宏海射频功率在通信系统中的应用[J].无线电工程，2002,32（10）：54-59
　　[3]射频真有效值功率测量技术[EB/OL]
　　
　　
　　

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