摘要：本文是射頻微波的指南。根據(jù)現(xiàn)代功率探頭的結(jié)構(gòu)和測試原理，分析各種探頭技術(shù)的和應用場景，使工程師可以選擇合適的功率探頭，獲得準確的功率測試值。另外，本文還涉及探頭自身的修正技術(shù)以及測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫妗?/p>

1、引言

測試，通常以的測試結(jié)果作為標準。

現(xiàn)代功率探頭具有以下特點：數(shù)字化，小型化;探頭完成所有測試功能，和測試數(shù)據(jù)的采集;無需主機，可以由包括手機在內(nèi)的具有操作系統(tǒng)的設備進行探頭控制和數(shù)據(jù)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

從探頭采用的技術(shù)類型劃分，可分為兩大類：熱電探頭和二極管探頭。熱電探頭又分為熱敏、熱偶和熱電堆三個類別;二極管探頭又分為單通道、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(tài)范圍小，適合射頻微波信號平均功率的計量校準;二極管探頭功率測量動態(tài)范圍大，速度快，適合研發(fā)測試和工程應用。

2.1、熱電功率探頭

熱敏功率探頭采用熱敏電阻作為核心元部件，輸入信號經(jīng)過熱敏電阻的功率被其吸收后溫度升高，電阻值發(fā)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連接成閉合回路，當兩個接點處的溫度不同時，回路中將產(chǎn)生溫差電勢，電勢的大小正比于吸收的高頻功率值，這種現(xiàn)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(jié)直接吸收高頻信號功率，熱結(jié)點溫度升高，產(chǎn)生溫差電勢，電勢的大小正比于吸收的射頻功率值，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(lián)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。

綜合考慮測試頻率范圍、功率范圍和準確度，熱電堆是目前最佳熱電功率探頭技術(shù)。

2.2、二極管功率探頭

二極管功率探頭采用半導體二極管作為核心元部件，采用平方率檢波，獲得功率值。所謂平方率檢波，就是在小信號范圍(-70dBm~

-13dBm)，肖特基(schottky)二極管輸出電壓正比于輸入功率，或者說正比于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。

單通道二極管的功率測試范圍不夠高，現(xiàn)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并行測量，對一組三通道測試數(shù)據(jù)進行智能判斷和修正。通過這種方法，可以實現(xiàn)大動態(tài)范圍(-70dBm~+23dBm)功率的準確測量。

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

2.3、功率探頭的調(diào)零校準與數(shù)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(shù)據(jù)?，F(xiàn)代功率探頭的校準數(shù)據(jù)一般內(nèi)置在探頭內(nèi)置中。功率探頭的校準數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)(測量值)，數(shù)據(jù)修正是在測量中自動完成的。

現(xiàn)代功率探頭在測量前無需外置源校準，因為探頭內(nèi)部有參考源和參考溫度，“調(diào)零”過程就包含了測量前校準過程。

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(shù)據(jù)與功率探頭原有數(shù)據(jù)偏差，在測量范圍之內(nèi)，則此探頭通過校準，無需修改數(shù)據(jù)。

如果計量單位采用原廠功率標準，例如R&S NRPC，計量R&S功率探頭，那么計量過程可以實現(xiàn)真正的“校準”，可以自動擦寫探頭內(nèi)部修正數(shù)據(jù)，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(nèi)置數(shù)據(jù)。

3、功率計(探頭)應用及選型

3.1、通用大動態(tài)功率測量

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

選型參考型號：

R&S?NRP8S(N)100 pW ~ 200 mW, 10 MHz ~ 8 GHz

R&S?NRP18S(N)100 pW ~ 200 mW, 10 MHz ~ 18 GHz

R&S?NRP33S(N)100 pW ~ 200 mW, 10 MHz ~ 33 GHz

R&S?NRP40S(N)100 pW ~ 100 mW, 50 MHz ~ 40 GHz

R&S?NRP50S(N)100 pW ~ 100 mW, 50 MHz ~ 50 GHz

R&S?NRP6A(N)100 pW ~ 200 mW, 8 kHz ~ 6 GHz

R&S?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采用熱電堆智能探頭。

小功率信號(-10~+10dBm)的計量校準，選用熱電堆功率探頭，具有最佳測量度。

另外，如果功率范圍在(-35dBm~+20dBm)，并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：

R&S?NRP18T(N)300 nW ~ 100 mW, DC ~ 18 GHz

R&S?NRP33T(N)300 nW ~ 100 mW, DC ~ 33 GHz

R&S?NRP40T(N)300 nW ~ 100 mW, DC ~ 40 GHz

R&S?NRP50T(N)300 nW ~ 100 mW, DC ~ 50 GHz

R&S?NRP67T(N)300 nW ~ 100 mW, DC ~ 67 GHz

R&S?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：

R&S?NRPC18DC ~ 18 GHz

R&S?NRPC33DC ~ 33 GHz

R&S?NRPC40DC ~ 40 GHz

R&S?NRPC50DC ~ 50 GHz

3.3、峰值功率分析

脈沖調(diào)制信號，通常采用峰值功率探頭測試，也就是寬帶二極管(智能多通道)探頭。其視頻帶寬決定其窄脈沖測試能力。

選型參考型號：

R&S?NRP-Z811nW~100mW, 50MHz~18GHz，可檢測最小脈寬50ns

R&S?NRP-Z851nW~100mW, 50 MHz~40GHz，可檢測最小脈寬50ns

脈沖功率分析，通常的測試參數(shù)有功率參數(shù)和時間參數(shù)：

脈沖功率;脈內(nèi)功率平坦度;上升沿過沖;脈內(nèi)功率滑降。

脈寬和周期;脈沖重復頻率;上升下降沿。

下圖(左)：單路信號脈沖功率測試;下圖(右)：兩路信號脈沖功率測試，可分辨兩路脈沖相對時間關系。

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(shù)修正，也就是把外接裝置的全頻段S參數(shù)內(nèi)置在功率探頭，實現(xiàn)每個頻點的測試值自動修正。

功率探頭內(nèi)置參數(shù)修正，導入外部衰減器S參數(shù)數(shù)據(jù)，進行大功率信號精確功率測試：

4、測量數(shù)據(jù)的采集、傳輸和顯示

現(xiàn)代功率探頭能夠完成所有測量功率，并發(fā)送出測量數(shù)值。數(shù)據(jù)傳輸接口可以是專用主機接口，也可以是通用USB接口或網(wǎng)口。因此，除了功率計儀器，可使用其它帶有操作系統(tǒng)的設備，如電腦、其它儀器甚至手機。如果采用網(wǎng)口，可以用電腦通過TCP/IP協(xié)議遠程訪問功率探頭。