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功率測量方法

功率測量的基本方法可分為兩類:壹類是直接測量元件和器件的端電壓和電流,通過計算得到待測功率。這種功率計用於測量DC或低頻功率;另壹種是將電磁能轉換成熱能、光能等易於測量的形式,進而間接測量功率。這類功率計主要應用在射頻和微波頻段,例如熱量計功率計、熱電阻或可變熱電阻功率計、光度計功率計等,都是基於能量轉換的原理來實現功率測量的。

在DC或低頻段,您可以使用瓦特計,直接以瓦特(W)為單位。射頻和微波部分常用量熱法、熱阻測量法、微量熱法、熱電法和光度計法。把電磁能轉換成熱能來測量。轉換器是感應和吸收電磁能量的負載,它被稱為熱量計。負載吸收功率並轉化為熱能,從而測量發熱體的溫升,檢測其熱電勢,根據功率與熱電勢的關系確定測得的功率。

熱量計可分為幹負荷和流體(水、油等)。)加載。在實際測量中,經常使用替代技術來校準溫度測量設備,並且使用已知的DC(或低頻)功率來代替被測的射頻或微波功率。量熱式功率計的工作頻段已經達到毫米波段,測量範圍可以分別做成大、中、小功率範圍。單臺儀器的動態範圍可達30 ~ 40 dB,測量誤差可達千分之幾。量熱式功率計的主要優點是精度高、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,測試時間長。由於它能獲得較高的測量精度,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以大大縮短測試時間,提高測量精度。

量熱式功率計可分為交替式靜態量熱計和交替式流量量熱計,其主要技術指標如下:頻率範圍:同軸系統壹般可達10 GHz(有的可達18 GHz),波導系統可達毫米波;量程:靜態型10 MW ~ 1 W (10 W),流量型熱量計常用於測量大功率,如水負載熱量計,量程為2000 W;誤差:3% ~ 10%;電壓駐波比:約1.5。靜態熱量計功率計是壹種熱量計介質固定的熱量計,由吸收電磁能的絕熱負載和測量負載溫升的裝置組成。絕緣負載與周圍環境完全絕緣。當負載吸收高頻功率時,溫度隨時間上升。如果在△t時間內測量負載的溫升,就可以得到該時間內的平均功率。流量熱量計功率計是壹種熱量計介質連續流動的熱量計,由將液體中的電磁能轉化為熱能的負載、循環液體的系統和測量循環液體溫差的裝置組成。因為流動的介質吸收了負載傳遞的熱量,所以液體出口處的溫度會高於入口處的溫度。通過測量溫差△T,可以得到被測功率。流量熱量表功率計通常用於測量中等功率和大功率;靜態熱量計功率計通常用於測量小功率。測量精度約為0.2 ~ 5%。也叫測輻射熱計法,是利用壹些溫敏電阻元件吸收電磁能量後電阻變化的特性來測量功率的。自動平衡電橋的DC或音頻功率經常被用來代替測量射頻或微波功率(圖1)。使用的溫敏電阻元件稱為熱電阻,主要有正溫度系數的鎮流電阻和負溫度系數的熱敏電阻。適用於測量小功率,經功率標準校準後可作為傳遞標準。用阻抗法測效率再測功率,精度達到0.5%,有些國家將其作為國家標準。典型熱電阻功率計的主要技術指標如下:頻率範圍:同軸和波導系統為2.6 ~ 40 GHz範圍:10MW ~ 10MW;誤差:3 ~ 5%;電壓駐波比:約1.5。

圖為熱電阻功率計測量原理,RT為熱敏電阻,其阻值是溫度的函數。具有正溫度系數的稱為熱阻;負溫度系數稱為熱敏電阻。不加高頻信號時,RT=R,電橋達到平衡,檢流計G指示為零。加入高頻信號,RT吸收功率,電阻變化,電橋失去平衡,檢流計G偏轉。G的偏轉取決於吸收的功率,所以測量的功率可以通過校準直接從檢流計G上讀出。在微波波段(分米波、厘米波段等)測量中小功率時。),經常使用由鉍銻熱電偶和電子電壓表組成的微波功率計。

熱電阻功率計是壹種應用廣泛的小型功率計。其優點是體積小,靈敏度高,響應時間快,使用方便。缺點是過載能力差,易燒毀(主要是鎮流電阻功率表),易受環境溫度影響,寬帶阻抗匹配困難。借助熱電元件,將電磁能轉變為熱能,測量發熱形成的熱電勢。熱電勢與熱電元件消耗的射頻和微波功率成正比。熱電元件是耗散射頻或微波能量的負載,也是將射頻或微波能量轉化為DC熱電勢的熱電偶器件。新型熱電傳感器和熱電薄膜功率計得到了廣泛應用。這種功率計的優點是寬頻帶(50 MHz ~ 26.5 GHz)、寬動態範圍(100微瓦~ 3瓦)、低噪聲、零點漂移小、靈敏度高(最高可達0.1納瓦)、響應時間快、數字顯示。缺點是過載能力差,容易燃燒,長期穩定性有待提高。

這些采用熱效應方法的功率計可與固定衰減器或定向耦合器組合,以擴大功率範圍,制成吸收式或直通式中高功率計。

隨著電子和航天技術的飛速發展,脈沖調制射頻和微波系統得到了廣泛的應用。這種系統的基本參數之壹是脈沖峰值功率。脈沖峰值功率是指出現最大脈沖功率的載波周期內的平均功率,脈沖功率是指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由測量的平均功率計算脈沖峰值功率;②峰值檢測法;③道碴電阻積分微分法;④抽樣比較法;⑤缺口法。陷波法對脈沖峰值功率的測量較為精確,其主要技術指標為:頻率範圍:同軸系統0.95 ~ 2.35 GHz,和4.0 ~ 4.4 GHz,波導系統8.2 ~ 12.4 GHz;範圍:10MW ~ 10KW;精度:同軸系統約3%,波導系統約4 ~ 6%。此外,還有帶接口的可編程智能功率計,可與其他儀器組成自動測試系統。用特制的白熾燈作為負載,燈在吸收功率時點亮,然後通過光度計與50Hz市電加熱後的發光亮度進行比較,從而測出被測功率。這種測量功率的比較方法叫做光度計法。

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,測量精度約為10%。