什么是功率测量?

什么是功率测量?

[拼音]：gonglü celiang

[外文]：power measurement

单位时间内所完成的功称为功率。功率单位“瓦”(W)表示在 1秒内完成1焦耳功所需的功率。实用中又常用分贝瓦(dBW)表示以1瓦为参考电平来描述功率电平的对数式单位；分贝毫瓦(dBm)则表示以1毫瓦为参考电平。如1瓦可记为0分贝瓦或30分贝毫瓦，10微瓦可记为-50分贝瓦或-20分贝毫瓦。在直流或低频时，常常通过测量负载上的电压U、电流I 和它们之间的相位角φ来代替直接测量功率P＝UIcosφ在射频频段，大多用电压来表征电磁能的量，但当频段上升到微波时，在非横磁波传输系统中电压失去唯一性定义而呈现非单值性，因而又以测量功率为主。现代应用传输横磁波的同轴线已使频段扩展到18吉赫甚至26.5吉赫以上，为在微波频段测量电压创造了条件，但这并不影响功率测量在实际应用中的地位。如发射机的发射功率、微波接收机的灵敏度、放大器的增益等均以功率电平表征，以功率测量定标。

功率计

功率计可依测量方式、工作原理、量程大小、被测信号形式和传输线类型等进行分类。根据功率计接入传输系统的方式可分为吸收(终端)式和通过式功率计。吸收式功率计是作为被测系统的终端负载，吸收输出功率。通过式功率计仅吸收被测系统中的部分采样功率。功率测量靠变换器把电磁能量变换成热、电、力、光等易于测量的能量。功率计依所用的变换器可分为热效应功率计（如量热式功率计、测热电阻功率计和热电式功率计等）、有质功率计、电子式功率计（二极管功率计和霍耳效应功率计）、铁氧体功率计和量子干涉效应功率计等。根据测量的功率量程可分为小功率计、中功率计和大功率计。一般功率量程小于10毫瓦者为小功率计、10毫瓦至10瓦者为中功率计，大于10瓦的为大功率计，但限量的划分尚无严格统一的规定。根据被测信号形式分为连续波功率计和脉冲功率计，根据传输线类型分为同轴功率计和波导功率计。

功率测量方法

在直流或低频段可使用直接按瓦特(W)刻度的瓦特表。在射频和微波段常采用量热计法、测热电阻法、微量热计法和热电法等。

（1）量热计法：将电磁能量转换成热能来测量。变换器是感应、吸收电磁能量的负载，称为量热体。负载吸收功率，使之转换成热能，从而量热体温度上升，检测其温差热电势，根据功率和热电势间的关系来确定被测功率。量热体有干负载、流体(水、油等)负载之分。实际测量中常采用替代技术来校准温度测量装置，用已知的直流（或低频）功率来替代被测射频或微波功率。量热式功率计的工作频段已达毫米波段，量程可分别做成大、中、小功率范围，单个仪器动态范围达30～40分贝，测量误差可达千分之几。量热式功率计的主要优点是准确度高、可靠性好、动态范围大、阻抗匹配好；缺点是结构和测试技术复杂，对环境温度和测试设备要求苛刻，而且测试时间长。因它能获得很高的测量准确度，世界各国都采用它作为国家功率标准。采用自动反馈电路可大大缩短测试时间，改善测量的精密度。量热式功率计可分为替代静止式和替代流动式量热计，其主要技术指标为：频率范围：同轴系统一般到10吉赫（有的可达18吉赫），波导系统可达毫米波;量程:静止式为10毫瓦～1瓦（10瓦），流动式量热计常用来测量大功率，例如水负载量热计，量程可达2000瓦;误差:±3％～±10％；电压驻波比：1.5左右。

（2）测热电阻法(测辐射热器法)：利用某些对温度敏感的电阻元件在吸收电磁能量后阻值变化的特性来测量功率。常用自动平衡电桥的直流或音频功率来替代测量射频或微波功率（图1）。所用的温度敏感的电阻元件称为测热电阻，主要有正温度系数的镇流电阻和负温度系数的热敏电阻。它适用于测量小功率，经功率标准校准后可作为传递标准。用阻抗法定度效率后来测定功率，准确度达±0.5％，有的国家用它作为国家标准。典型的测热电阻功率计的主要技术指标为：频率范围：同轴、波导系统为 2.6～40吉赫；量程：10微瓦～10毫瓦；误差：±（3～5）％；电压驻波比:1.5左右。测热电阻功率计是广泛使用的一种小功率计。它的优点是体积小，灵敏度高，响应时间快，使用方便；缺点是过载能力差，容易烧毁（主要是镇流电阻式功率计），易受环境温度影响，宽频带阻抗匹配困难。

（3）微量热计法:用测热电阻元件作为量热体，用量热计法原理高准确度确定测热电阻座的有效功率，然后用测热电阻座配以高准确度的电桥来单独测量功率。这种方法的优点是准确度高，速度快和使用方便。许多国家都用它建立小功率国家标准，准确度达±(0.2～0.5)％。

（4）热电法：借助于热电元件将电磁能量变为热能并测量由于发热所形成的热电势，热电势与热电元件所耗散的射频与微波功率成正比。热电元件是耗散射频或微波能量的负载，又是将射频或微波能量转换成直流热电势的热电偶器件。新型的热电敏感器和热电薄膜功率计已获得广泛应用。这种功率计的优点是频带宽（50兆赫～26.5吉赫），动态范围宽（100微瓦～3瓦），低噪声零点漂移小，灵敏度高（可达0.1纳瓦），响应时间快和数字显示等。缺点是过载能力差，容易烧毁，长期稳定性尚待改善。

这些使用热效应法的功率计与已定度的衰减器或定向耦合器组合起来，可扩展功率量程，制成吸收式或通过式中、大功率计。

随着电子学和航天技术的迅速发展，脉冲调制的射频和微波系统得到广泛应用。这类系统的基本参量之一是脉冲峰值功率。脉冲峰值功率是指出现脉冲功率最大值的载波周期内的平均功率，而脉冲功率是指在一个脉冲持续时间内的平均功率。对于理想的矩形脉冲，峰值功率等于脉冲功率。测量脉冲峰值功率的方法主要有：

（1）从测量出的平均功率计算脉冲峰值功率；

（2）峰值检波法；

（3）镇流电阻积分微分法；

（4）取样比较法；

（5）陷波法。脉冲峰值功率测量中准确度较高的是陷波法，主要技术指标为：频率范围:同轴系统0.95～2.35吉赫，和4.0～4.4吉赫，波导系统8.2～12.4吉赫;量程：10微瓦～10千瓦;准确度:同轴系统约±3％，波导系统约为±(4～6)％。此外还出现了带接口的可程控智能功率计，它可与其他仪器组成自动测试系统。

射频或微波功率量值传递

微波功率量值传递的关键是减小失配误差。功率的量值传递方法大致可分为四类。

（1）交替连接比较法：把标准功率计和被校功率计交替接到稳定的信号源上进行校准。这种方法的误差较大，但简单易行，在准确度要求不高的情况下广泛使用。

（2）单定向耦合器直接比较法:利用定向耦合器-功率检波器组合，提供一个稳幅的低反射系数的等效信号源（图2）。当采用调配措施后，可使等效信号源的反射系数小于0.005，减小失配误差，然后用功率标准对其校准，确定校准系数后可作为传递标准，用来单独校准其他功率计。这种传递标准当信号频率为18吉赫时校准系数的准确度可达到 ±2％左右。这种方法广泛用于功率量值传递（微波功率国际比对就是这样进行的）。

（3）调配反射计法：为了有效地消除失配误差、提高功率测量和量值传递的准确度，1960年开始采用反射计法进行功率量值传递，利用调配反射计技术，有效地将入射波与反射波分开以消除失配误差。但这种方法复杂，技术要求很高。

（4）功率方程法：1969年G.F.恩金提出一种描述和计算微波系统的“功率方程概念”，用传输的净功率这一基本实数参量替代电路理论中的复数行波波幅来分析和计算微波系统，放宽了对均匀波导，特别是对精密同轴接头的要求，对失配误差的修正提出了一个确定解，克服了电路理论只能估计失配误差极限的缺点。功率方程法采用广义反射计技术的校准系统（图3）。它测量两个实数的失配因子，对失配误差进行精确修正，测量准确度可达到±0.2％。