功率測量

單位時間內所完成的功稱為功率。功率測量是指對元器件或部件所消耗功率的測定。

通過功率測量可確定電路的工作效率，也可以確定信號發生器的功率、接收機的靈敏度以及放大器的增益等參數。

基本介紹

• 中文名：功率測量
• 外文名：power measurement

簡介

定義

單位時間內所完成的功稱為功率。功率單位“瓦”(W)表示在 1秒內完成1焦耳功所需的功率。實用中又常用分貝瓦(dBW)表示以1瓦為參考電平來描述功率電平的對數式單位；分貝毫瓦(dBm)則表示以1毫瓦為參考電平。如1瓦可記為0分貝瓦或30分貝毫瓦,10微瓦可記為-50分貝瓦或-20分貝毫瓦。在直流或低頻時,常常通過測量負載上的電壓U、電流I 和它們之間的相位角φ來代替直接計算功率：P=UIcosφ

功率測量

在射頻頻段，大多用電壓來表征電磁能的量，但當頻段上升到微波時，在非橫磁波傳輸系統中電壓失去唯一性定義而呈現非單值性，因而又以測量功率為主。現代套用傳輸橫磁波的同軸線已使頻段擴展到18吉赫甚至26.5吉赫以上，為在微波頻段測量電壓創造了條件，但這並不影響功率測量在實際套用中的地位。如發射機的發射功率、微波接收機的靈敏度、放大器的增益等均以功率電平表征，以功率測量定標。

功率計

功率計可依測量方式、工作原理、量程大小、被測信號形式和傳輸線類型等進行分類。根據功率計接入傳輸系統的方式可分為吸收(終端)式和通過式功率計。

吸收式功率計是作為被測系統的終端負載，吸收輸出功率。

通過式功率計僅吸收被測系統中的部分採樣功率。功率測量靠變換器把電磁能量變換成熱、電、力、光等易於測量的能量。功率計依所用的變換器可分為熱效應功率計（如量熱式功率計、測熱電阻功率計和熱電式功率計等）、有質功率計、電子式功率計（二極體功率計和霍耳效應功率計）、鐵氧體功率計和量子干涉效應功率計等。根據測量的功率量程可分為小功率計、中功率計和大功率計。一般功率量程小於10毫瓦者為小功率計、10毫瓦至10瓦者為中功率計，大於10瓦的為大功率計，但限量的劃分尚無嚴格統一的規定。根據被測信號形式分為連續波功率計和脈衝功率計，根據傳輸線類型分為同軸功率計和波導功率計。

功率計按量程可分為大功率計（大於10W）、中功率計（10mW～10W）和小功率計（小於10mW）。

方法

功率測量的基本方法可分為兩類：一類是直接測量元、器件的端電壓和通過的電流，通過計算得出待測功率，這一類功率計用於測量直流或低頻功率；另一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。這一類功率計主要套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。在射頻和微波段常採用量熱計法、測熱電阻法、微量熱計法和熱電法、光度計法等。

量熱計法

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係來確定被測功率。

功率測量

量熱體有乾負載、流體(水、油等)負載之分。實際測量中常採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複雜，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，世界各國都採用它作為國家功率標準。採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：同軸系統一般到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，是一種量熱媒質靜止不動的量熱功率計，它由一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，是一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%。

測熱電阻法

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，主要有正溫度係數的鎮流電阻和負溫度係數的熱敏電阻。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式。具有正溫度係數的稱為測熱電阻；具有負溫度係數的稱為熱變電阻。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一種小功率計。它的優點是體積小，靈敏度高，回響時間快，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。

微量熱計法

用測熱電阻元件作為量熱體,用量熱計法原理高準確度確定測熱電阻座的有效功率，然後用測熱電阻座配以高準確度的電橋來單獨測量功率。這種方法的優點是準確度高,速度快和使用方便。許多國家都用它建立小功率國家標準,準確度達±(0.2～0.5)%。

熱電法

藉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套用。這種功率計的優點是頻頻寬（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）,回響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。

功率測量

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，製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，脈衝調製的射頻和微波系統得到廣泛套用。這類系統的基本參量之一是脈衝峰值功率。脈衝峰值功率是指出現脈衝功率最大值的載波周期內的平均功率，而脈衝功率是指在一個脈衝持續時間內的平均功率。對於理想的矩形脈衝,峰值功率等於脈衝功率。測量脈衝峰值功率的方法主要有:①從測量出的平均功率計算脈衝峰值功率;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。脈衝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慧型功率計，它可與其他儀器組成自動測試系統。

光度計法

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%。

量值傳遞

微波功率量值傳遞的關鍵是減小失配誤差。功率的量值傳遞方法大致可分為四類。

①交替連線比較法

交替連線比較法：把標準功率計和被校功率計交替接到穩定的信號源上進行校準。這種方法的誤差較大，但簡單易行，在準確度要求不高的情況下廣泛使用。

②單定向耦合器直接比較法

單定向耦合器直接比較法:利用定向耦合器-功率檢波器組合,提供一個穩幅的低反射係數的等效信號源。當採用調配措施後，可使等效信號源的反射係數小於0.005，減小失配誤差,然後用功率標準對其校準，確定校準係數後可作為傳遞標準，用來單獨校準其他功率計。這種傳遞標準當信號頻率為18吉赫時校準係數的準確度可達到 ±2%左右。這種方法廣泛用於功率量值傳遞（微波功率國際比對就是這樣進行的）。

③調配反射計法

調配反射計法：為了有效地消除失配誤差、提高功率測量和量值傳遞的準確度，1960年開始採用反射計法進行功率量值傳遞，利用調配反射計技術，有效地將入射波與反射波分開以消除失配誤差。但這種方法複雜，技術要求很高。

④ 功率方程法

功率方程法：1969年G.F.恩金提出一種描述和計算微波系統的“功率方程概念”，用傳輸的淨功率這一基本實數參量替代電路理論中的複數行波波幅來分析和計算微波系統,放寬了對均勻波導,特別是對精密同軸接頭的要求，對失配誤差的修正提出了一個確定解，克服了電路理論只能估計失配誤差極限的缺點。功率方程法採用廣義反射計技術的校準系統。它測量兩個實數的失配因子，對失配誤差進行精確修正，測量準確度可達到±0.2%。