（香樟推文）微波功率测量的原理和技术

文|贾文彬的正史编辑|贾文彬的正史

在现代科学和安装工程领域中，微波功率检测是一项至关重要的技术。 #

微波功率检测牵涉到对微波讯号的能量量化和评估，对于各类应用场景，如通讯系统、雷达技术、卫星通讯、射频设备和无线电频谱管理等领域，精确测定微波功率至关重要。

#

随着无线通讯、射频设备和微波技术的迅速发展电磁场与微波技术，对于微波功率检测的需求也越来越紧迫。

#

之外，在声纳系统中，精确测定微波功率是实现目标侦测和跟踪的关键要素，所以，了解微波功率检测的原理和技术是从事相关领域研究和安装工程设计的基础。 #

微波功率 #

“微波”一词一般适于速率在3GHz至300GHz之间的范围内，相应的电波波速分别为λ=c/f=10cm至λ=1mm，其中c为真空中的光速，f为速率。

#

一般将波速在毫米量级的信自称为毫米波，功率是能量转移、使用或转换的频率。 #

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为进行功率检测的表面，在传输线中，功率可以表示为P(t)=V(t)×I(t)，其中V和I为线上的电流和电压。

在实际应用中，瞬时电流、电流和场分布不易直接测定，然而，微波功率常通过代换技术或移相技术推论得到。 #

功率的国际单位是瓦特（W），其中1W=1千克·米?/秒?，为了便于展示和估算，功率比经常用分贝（dB）表示。

#

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)=10log1毫瓦。

微波功率的范围可分为三个组别：高功率（小于1W），中功率（10毫瓦至1W）和低水平（大于10毫瓦），对于不同功率级别的功率检测，所用的技术和设备差别巨大。 #

在功率检测方面，当观察正切或其他复杂周期波形时，可以定义许多功率量，右图显示了脉冲波形的一个样例，其中可以进行多种功率检测，如平均功率、峰值功率。 #

在进行检测之前，应当确定要检测的功率类别，以防止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。 #

时间平均值

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斩获，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十分大。 #

比如，连续波的瞬时功率由一个直流份量和一个速率是波的两倍的变化份量组成，占空比的平均功率是不随时间变化的直流份量。

#

脉冲功率可以通过对单个脉冲或脉冲长度τ持续时间公测得的功率进行平均来荣获，脉冲功率在声纳应用中被广泛使用。 #

脉冲长度一般被觉得是脉冲上升和增长边沿的半升幅点之间的时间，右图显示了一个具备脉冲长度τ和周期T的圆形脉冲，脉冲功率P表示在脉冲持续时间内平均的功率，所以其振幅比平均功率大。

#

功率检测一般确定平均功率，但脉冲功率可以按照平均功率估算得出。 #

微波功率的最后一类是峰值功率或峰包络功率，主要适于调制讯号的检测，峰值功率指的是脉冲中的最高功率点，如右图所示的上升时间过冲。

#

确定峰值功率一般还要更复杂的检测方式，一般状况下，假如脉冲形状或功率分布已知，脉冲和峰包络功率一般可以从平均功率中斩获。 #

继电器传感 #

继电器检查器的原理基于p-n结的检波特征，可以将交流讯号转化为直流讯号，低势垒肖特基继电器广泛应适于微波速率下，由于他们十分坚硬，而且从一个三极管到另一个三极管的特征是一致的。 #

肖特基继电器的非线性电压-电流曲线如右图所示。

（a）低势垒肖特基继电器的检波特征，显示了原点附近的小讯号、平方定理特征；（b）带有匹配电感的源和晶闸管检查器的电路图。 #

级数的第二项和其他偶次项提供了移相效应，对于小讯号，第二项是明显的，所以继电器在平方定理区域内工作。 #

在该区域内，输出电压i与微波键入电流的平方成反比，典型的低势垒肖特基继电器须要一个-20dBm的微波讯号能够摆脱0.3V的结电流，所以，平方定理操作适用于最大功率为-20dBm的讯号。

上图(b)显示了适于测试低水平射频和微波讯号的未偏压继电器元件的简化电路图，匹配电感作为微波源的终端。

#

继电器将微波电流移相为直流电流，旁路电感Cb适于消除通过晶闸管泄露的任何微波讯号，该设计可以测量讯号从-70dBm的噪音水平到约-20dBm。

#

继电器测试器可以提供灵敏度和大的动态范围，在其平方定理区域内可以代替热传感，因此，倘若入射讯号功率的尖峰超出了平方定理范围，将要出现数据错误。 #

因为其迅速响应特点，继电器技术也可以适于测定峰值或包络功率，现代峰值和平均继电器传感相比原先的继电器技术可以在更宽的动态范围内工作。

#

然而，继电器传感技术是表征脉冲波形包络或复杂时变讯号的理想解决方案。

#

电厂传感

#

电厂传感是基于电厂偶原理的，当金属棒的两端具备不同盐度时，因为电子从他们的原子中扩散，会形成一种称为汤姆逊电动势的电流。

#

在不同金属的结合处，相异金属中不同的自由电子密度会造成扩散和电动势的形成，电厂偶的输出电流是顺着两金属电路形成的几个电厂压的总和。 #

图中（a）由两种不同金属组成的电厂偶[10]；（b）电厂偶监测器的简化电路图，(b)展示了一个电厂测试器的基本电路。

#

终端遭到入射微波功率的加热，热能传递给电厂偶，于是产生一个热结，由电厂偶形成的电流可适于确定所施加的微波功率的大小。 #

通过电厂偶检测功率具备高灵敏度和平方定理的测试特征，电厂传感的动态范围为-35dBm至+20dBm，因为电厂偶是基于热能的，他们适于测定平均功率。 #

热敏传感

在射频和微波功率检测中具备历史上的重要地位，由于它是一种真正的平均功率传感，这些传感类别是线性的、敏感的、准确的和特别坚硬的。

#

热敏传感最早适于测定红外功率，目前广泛应适于微波功率检测，热敏传感的感测器件才能将入射的微波功率耗散，并将糖分转换为电感的变化。 #

通过检测电感的变化，可以确定所施加的微波功率的大小，换句话说，对微波功率的检测被取代为对直流功率的测定，将微波功率替换为直流功率是通过水表电路来完成的。 #

从历史上看，有两种流行的热敏传感类别，分别是巴雷特电感和热敏电感，巴雷特电感是一个适当安装的特别细的短金属丝，一般是白金，其厚度和半径使其具备适当的电感。

#

当巴雷特电感经历体温上升时，电感降低，所以巴雷特电感具备正气温系数（PTC），热敏电感是一个按照其本体气温变化而改变阻值的电子器件，正如其名称所示。

在微波检测中，NTC热敏电感优于巴雷特电感，由于他们可以提供更小的规格和更好的功率处理能力。

热敏传感是在-10dBm至+10dBm范围内最常见的侦测器类别，他们的灵敏度以欧姆每毫瓦计，使得与速率无关。 #

检测技术讨论 #

以上每种类别的传感都有其特点和劣势，继电器技术可以提供最宽动态范围，从1纳瓦特到100毫瓦，继电器同轴传感可达50GHz，波导传感可达1.1THz。 #

电厂传感在较小的功率范围内，从1微瓦到100毫瓦，具备稍高的准确度，这种传感的同轴型可达110GHz，商业波导热电传感可工作到260GHz。 #

热敏功率传感的范围最小，从10微瓦到10毫瓦，这种类型的传感已在同轴和波导设计年报告到140GHz。 #

使用电厂偶和肖特基继电器进行功率检测称为开环检测，由于没有反馈来校准因为老化或湿度以及传感之间的差别而形成的不同灵敏度。 #

结果是，相似的射频或微波功率对应的传感输出电流或许不同，可以通过引进功率参考震荡器来解决这个问题，其输出功率可以十分精确地进行控制。 #

但是，参考功率还要特殊的注入配置，即波导到同轴适配器，这或许会降低传感的总反射系数并提高检测的不确定性。

另一方面，使用热敏传感及其水表电路进行检测是闭环的，由于感测器件的电感变化触发反馈讯号到射频到直流功率取代，以保持电感恒定，与移相继电器或直接加热电厂偶相比，功率测量原理与现有的糖分计方式兼容。

#

低频（HF）功率溯源性还要在已发展的电磁频谱范围内保持，而且也须要在更低频率上为未来的应用推行溯源性。 #

微波功率（50GHz到300GHz范围内）是其中之一，因为缺少与国际单位制的溯源性，难以坚信地进行检测。 #

之外，为了验证低频幅射安全限值，还要溯源与功率相关的量，比如功率通量密度、电场和磁场硬度。

#

从技术上讲，这种量直接与HF功率相关，所以，缺少功率检测的溯源性将直接造成难以执行重要的安全立法。

#

为了提供低频功率的溯源性，还要两个基本建立模块，一个是可溯源的微波功率传输传感，另一个是适于测量后者的糖分计。

商用传感的测量直接缘于已测量的传输标准传感的可用性以及将标准与商用传感进行比较的技术。 #

标准功率传感早已针对两种传输线系统开发：同轴线或圆形波导，这种类型的同轴线糖分计和功率标准可在美国国家地理试验室（NPL）荣获，速率可达50GHz。 #

对于更低频率，现在正在使用波导传输传感作为测量标准来直接比较组装式传感。

同轴线系统中的可溯源检测能力，现在在一些亚洲国家计量研究所和少数经过认可的测量试验室中可用，适用速率高达67GHz。 #

推论 #

在波导方面，NPL早已开发了高达110GHz的微型糖分计，据了解包括台湾和美国在内的几个国家计量研究所正在积极开发自己的微型糖分计电磁场与微波技术，以支持国外的工业和科学检测需求，其速率少于110GHz。

美国的测量服务在GHz以上的沿袭遭到恐吓，由于热敏电网传感的生产在上世纪90年代停止，而110GHz以上的传感极为少见。

#

（笔者观点）现在，现代商用HF功率传感可达110GHz（同轴）和1.1THz（波导），但他们不适宜作为直接可溯源的传递标准，他们的测量原理基于圆形化或电厂偶的直接加热效应，与现有的糖分计方式不兼容。 #

参考文献：

#

1.NTC热敏电感气温特征研究.孙庆龙.中学数学试验,2013 #

2.浸入式电感印制电路板制做工艺.陈岩,曾曙.印制电路信息,2003 #

3.气温传感的压力效应.朱光文.海洋技术,1983 #

4.浅海测温热敏电感的思考..海洋技术,1978

5.不同曲线拟合方法对NTC热敏电感测温精度的影响.刘颖;刘义平;任婷婷;张雯;梁志华.美国检测,2023

#