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功率測量的方法

功率測量的基本方法可分為兩類:壹類是直接測量元、器件的端電壓和通過的電流,通過計算得出待測功率,這壹類功率計用於測量直流或低頻功率;另壹類是將電磁能量轉換成易於測量的形式,例如熱能、光能等,然後以間接方式測出功率。這壹類功率計主要應用於射頻和微波波段,例如,量熱計式功率計、測熱電阻或變熱電阻功率計以及光度計式功率計等,都是基於能量轉換的原理來實現功率測量的。

在直流或低頻段可使用直接按瓦特(W)刻度的瓦特表。在射頻和微波段常采用量熱計法、測熱電阻法、微量熱計法和熱電法、光度計法等。 將電磁能量轉換成熱能來測量。變換器是感應、吸收電磁能量的負載,稱為量熱體。負載吸收功率,使之轉換成熱能,從而量熱體溫度上升,檢測其溫差熱電勢,根據功率和熱電勢間的關系來確定被測功率。

量熱體有幹負載、流體(水、油等)負載之分。實際測量中常采用替代技術來校準溫度測量裝置,用已知的直流(或低頻)功率來替代被測射頻或微波功率。量熱式功率計的工作頻段已達毫米波段,量程可分別做成大、中、小功率範圍,單個儀器動態範圍達30~40分貝,測量誤差可達千分之幾。量熱式功率計的主要優點是準確度高、可靠性好、動態範圍大、阻抗匹配好;缺點是結構和測試技術復雜,對環境溫度和測試設備要求苛刻,而且測試時間長。因它能獲得很高的測量準確度,世界各國都采用它作為國家功率標準。采用自動反饋電路可大大縮短測試時間,改善測量的精密度。

量熱式功率計可分為替代靜止式和替代流動式量熱計,其主要技術指標為:頻率範圍:同軸系統壹般到10吉赫(有的可達18吉赫),波導系統可達毫米波;量程:靜止式為10毫瓦~1瓦(10瓦),流動式量熱計常用來測量大功率,例如水負載量熱計,量程可達2000瓦;誤差:±3%~±10%;電壓駐波比:1.5左右。靜止量熱計式功率計,是壹種量熱媒質靜止不動的量熱功率計,它由壹個吸收電磁能量的隔熱負載和測量負載溫升的裝置組成。隔熱負載與周圍環境保持完全隔熱,當負載吸收高頻功率時,溫度隨時間而上升,若測出負載在△t時間內的溫升△T,便可求出在該時間內的平均功率。流動量熱計式功率計,是壹種量熱媒質不斷流動的量熱功率計,由在液體中將電磁能量轉變成熱能的負載、使液體循環流動的系統以及測量循環液體溫差的裝置組成。流動的媒質由於吸收負載傳遞的熱量,在液體出口處的溫度將高於入口處的溫度,測出溫差△T,便可求出被測功率。流動量熱計式功率計通常用於測量中功率與大功率;而靜止量熱計式功率計常用來測量小功率。測量精確度約為0.2~5%。 也稱測輻射熱器法,利用某些對溫度敏感的電阻元件在吸收電磁能量後阻值變化的特性來測量功率。常用自動平衡電橋的直流或音頻功率來替代測量射頻或微波功率(圖1)。所用的溫度敏感的電阻元件稱為測熱電阻,主要有正溫度系數的鎮流電阻和負溫度系數的熱敏電阻。它適用於測量小功率,經功率標準校準後可作為傳遞標準。用阻抗法定度效率後來測定功率,準確度達±0.5%,有的國家用它作為國家標準。典型的測熱電阻功率計的主要技術指標為:頻率範圍:同軸、波導系統為 2.6~40吉赫;量程:10微瓦~10毫瓦;誤差:±(3~5)%;電壓駐波比:1.5左右。

圖中所示為測熱電阻功率計原理,RT為熱敏電阻,它的阻值是溫度的函數。具有正溫度系數的稱為測熱電阻;具有負溫度系數的稱為熱變電阻。未加高頻信號時RT=R,電橋達到平衡,電流計G指示為零。加上高頻信號時RT吸收功率,阻值改變,電橋失去平衡,電流計G偏轉。G偏轉的大小取決於吸收功率的大小,由此可以通過校準,從電流計G直接讀出被測功率。當測量微波波段(分米波、厘米波段等)中、小功率時,常使用由鉍——銻熱電偶和電子電壓表等組成的微波功率計。

測熱電阻功率計是廣泛使用的壹種小功率計。它的優點是體積小,靈敏度高,響應時間快,使用方便;缺點是過載能力差,容易燒毀(主要是鎮流電阻式功率計),易受環境溫度影響,寬頻帶阻抗匹配困難。 借助於熱電元件將電磁能量變為熱能並測量由於發熱所形成的熱電勢,熱電勢與熱電元件所耗散的射頻與微波功率成正比。熱電元件是耗散射頻或微波能量的負載,又是將射頻或微波能量轉換成直流熱電勢的熱電偶器件。新型的熱電敏感器和熱電薄膜功率計已獲得廣泛應用。這種功率計的優點是頻帶寬(50兆赫~26.5吉赫),動態範圍寬(100微瓦~3瓦),低噪聲零點漂移小,靈敏度高(可達0.1納瓦),響應時間快和數字顯示等。缺點是過載能力差,容易燒毀,長期穩定性尚待改善。

這些使用熱效應法的功率計與已定度的衰減器或定向耦合器組合起來,可擴展功率量程,制成吸收式或通過式中、大功率計。

隨著電子學和航天技術的迅速發展,脈沖調制的射頻和微波系統得到廣泛應用。這類系統的基本參量之壹是脈沖峰值功率。脈沖峰值功率是指出現脈沖功率最大值的載波周期內的平均功率,而脈沖功率是指在壹個脈沖持續時間內的平均功率。對於理想的矩形脈沖,峰值功率等於脈沖功率。測量脈沖峰值功率的方法主要有:①從測量出的平均功率計算脈沖峰值功率;②峰值檢波法;③鎮流電阻積分微分法;④取樣比較法;⑤陷波法。脈沖峰值功率測量中準確度較高的是陷波法,主要技術指標為:頻率範圍:同軸系統0.95~2.35吉赫,和4.0~4.4吉赫,波導系統8.2~12.4吉赫;量程:10微瓦~10千瓦;準確度:同軸系統約±3%,波導系統約為±(4~6)%。此外還出現了帶接口的可程控智能功率計,它可與其他儀器組成自動測試系統。 利用特殊白熾燈作為負載,吸收功率時此燈燃明,然後再通過光度計與50Hz市電電源加熱後的發光亮度進行比較,從而測得被測功率。此種比較法測量功率稱為光度計法。

光度計法可用於厘米波段,功率測量範圍從十分之幾到100瓦,測量精確度約±10%。