CN1532552A - 功率测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自平衡阻抗桥电路装置，所述自平衡阻抗桥电路装置包括传感器器件和电子元件，电子元件提供可选择阻抗值使得传感器器件的阻抗对应于保持在可接受界限内的传感器器件的温度。

Description

功率测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量射频功率的装置，该装置例如包括自平衡阻抗桥，该桥的一个支路包含传感器元件，传感器元件的阻抗可以改变。本发明还涉及一种用于上述装置的测量射频功率的方法。

背景技术

系统的输出功率水平在包含该系统的几乎所有射频和微波设备的设计和性能中常常是非常关键的因素。对于某些功率水平的测量，使用热电偶传感器的功率表被认为优于使用热敏电阻传感器的功率表，因为热电偶传感器除了具有固有的平方律检测特性之外，与热敏电阻传感器相比，热电偶传感器还表现出更高的灵敏度，并具有更高的所测量功率的动态范围。

但是，对使用热电偶功率表进行的功率测量的一种批评是使用热电偶的功率表不进行直接的功率替换。因此，由于与特定测量电路一起使用的不同传感器之间的灵敏度差异，该特定测量电路可能产生不同的DC输出电压。或者，或除此以外，不同的输出电压可能是由于给定传感器单元的灵敏度的漂移的结果，这种漂移是因为给定传感器单元的热电偶传感器的老化或者因为温度效应造成的。因为使用热电偶传感器的功率表系统不具有反馈电路，而反馈电路能够修正传感器灵敏度的差别、热电偶传感器的老化或者温度效应，所以通过热电偶传感器进行的功率测量被认为是未加修正的，并因此而被认为不及使用热敏电阻功率表所进行的功率测量精确。相反，使用热敏电阻传感器的功率表使用所谓的DC替换处理。

为了克服使用热电偶传感器的功率表的上述缺点，给功率表配备功率参考振荡器是公知的，该振荡器一般在50MHz的频率以及1mW的输出功率下工作。如果功率表的使用者需要验证功率表、热电偶传感器以及在它们之间所耦合的电缆(在这之后将它们称为“功率测量系统”)的精确度，或者因为不同灵敏度的传感器而需要调节功率表，那么该使用者可以将热电偶传感器连接到功率表的功率参考振荡器的输出端，并使用校准调节来设置功率表，使功率表读由功率参考振荡器产生的参考功率的已知值，例如为1.00mW，或者读从参考功率的已知值得出的值。功率测量系统的总精确度取决于功率参考振荡器的精确度。

因此，如果想要保持功率测量的精确度，那么很明显参考振荡器是功率测量系统的重要部分，对于使用热电偶或二极管传感器的那些功率测量系统来说更是如此。为了保证参考振荡器和表/电缆/传感器组合的阻抗相匹配，从而将正确的射频功率量从参考振荡器传输到功率测量系统，参考振荡器的一个需要被保持的重要参数是参考振荡器的输出阻抗。

因此在测试参考振荡器的输出阻抗的情况下，有理由相信射频功率从源(参考振荡器)到测试负载(测试功率表/电缆/传感器的组合)的传输，取决于负载的阻抗和源的有效阻抗。被传输的射频功率P_A可以用电压反射系数(VRC)来表示：

$P_A=P_{Z_0}\×\frac{1-{\left|{\mathrm{\Γ}}_2\right|}^2}{{|1-{\mathrm{\Γ}}_S{\mathrm{\Γ}}_L|}^2}---\left(1\right)$

其中，P_Z0是源可以传输给等于Z₀Ω的负载的功率；并且，复数Γ_S和Γ_L分别是源和负载的VRC。

但是，在大部分情况下，只知道源VRC和负载VRC的数量级，因此只能设定被传输的功率水平P_A的上下限。因此，从参考振荡器传输到测试功率表的准确的功率量就存在不确定性。在数学上，不确定性U可以近似表示如下：

             U＝±200|Γ_SΓ_L|％    (2)

例如，对于安捷伦科技有限公司E4418B功率表的一种已知的参考振荡器，其产生频率为50MHz、功率水平1mW的输出信号，可归因于输出信号的功率水平测量的总不确定性约为±0.5％到±0.7％。近似地，0.1％到0.3％的总不确定性可以归因于与参考振荡器的输出信号向测试功率表的功率传输相关联的失配不确定性(mismatch uncertainty)。因此，对于上述可归因于输出信号的功率水平测量的总不确定性来说，所述失配不确定性起了重大作用。考虑到参考振荡器且更一般是功率参考源的用途，因而需要将失配不确定性保持在非常低的值。因此很明显需要计算与从参考振荡器传输到测试功率表的功率量相关联的失配不确定性，并因此需要测量或计算负载和源的VRC的值Γ_L和Γ_S。

虽然负载(测试表系统)的VRC可以使用传统方法相对简单地测量，但是源(参考振荡器)的VRC只有在参考振荡器工作时才能被确定。因为需要参考源处于工作中，所以不能使用例如向量网络分析(vector network analysis，VNA)的已知测量技术，因为VNA依赖的原理是向参考振荡器提供正弦信号并测量反射信号的相对振幅和相位；反射信号将由于参考振荡器产生的信号而失真。因此将不可能精确地测量已经被反射的VNA信号部分，因为VNA信号和由参考振荡器产生的信号处于相同的频率。

另一种已知的技术是用于测量参考振荡器的输出阻抗的所谓阻抗桥。但是，由参考振荡器产生的信号也将与阻抗桥以这样的方式相互作用，使得对参考振荡器阻抗的任何测量都不精确。

为了消除阻抗桥测量技术的上述缺点，在安捷伦E4416A/E4417A服务指南(安捷伦科技有限公司，E4416-90014)中公开了另一种已知的测量技术，该技术提供了一种使用改进后的阻抗桥来测量源匹配的方法。具体地说，该技术使用安捷伦科技有限公司的432A功率表，该功率表具有自调节阻抗桥，该阻抗桥的一个支路包括热敏电阻，该热敏电阻的阻抗可以通过改变相邻支路中的可切换电阻而被改变，该可切换电阻可在两个设定值200Ω和100Ω之间切换。电阻的切换导致热敏电阻阻抗随之发生改变，因此使得测试表系统或负载的VRC改变。因此，提供了一种在两个值之间切换负载VRC Γ_L的机制，使得可以近似地计算源VRC Γ_S，并通过使用传统方式的测量来验证源VRC Γ_S。一旦知道了源VRC Γ_S，就可以使用等式(2)来计算失配不确定性U，该失配不确定性U与从参考振荡器到432A测试功率表的功率传输相关联并且与参考振荡器的输出功率的调节相关联。

但是，在传感器单元中使用的一些热敏电阻具有关于电阻的负温度系数。因此，当热敏电阻的电阻下降时，热敏电阻的温度升高。这种温度的升高可能使传感器单元的可靠性下降，或者甚至会损坏热敏电阻并因此损坏传感器单元。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于测量射频功率的自平衡阻抗桥电路装置，该装置包括：桥电路，其包括连接到其第二支路的第一支路；其中第一支路包括传感器器件，该传感器器件具有阻抗值和与其相关联的温度系数，传感器器件的温度与所述阻抗值相关；第二支路包括至少一个能够提供可选择阻抗值的电子元件，当在使用时，可选择阻抗值使传感器器件的阻抗值产生偏移；并且所述可选择阻抗值是这样的值，使得传感器器件的阻抗值与没有超过预定温度的传感器器件的温度相对应。

所述温度系数可以是负温度系数。

所述传感器器件可以是测辐射热器件，并且在一个可能的实施例中所述测辐射热器件可以是热敏电阻。

所述至少一个能够提供可选择阻抗值的电子元件是可切换的，并且/或所述至少一个能够提供可选择阻抗值的电子元件可以是阻抗网络。

阻抗网络可以包括第一阻抗、第二阻抗以及开关，该开关用于将第一阻抗或第二阻抗连接到桥电路的电路内。

所述装置还可以包括耦合到所述传感器器件的另一个传感器器件。对于所述桥电路来说所述传感器器件可以如同串联耦合到所述另一个传感器器件，并且，当在所述传感器器件和所述另一个传感器器件之间的节点提供射频信号时，所述传感器器件可以如同并联耦合到所述另一个传感器器件。

所述桥电路还可以包括：第三支路，其可以耦合到第四支路，第三和第四支路包含基本上相同的阻抗；并且第三支路可以被耦合到第二支路，第四支路可以被耦合到第一支路。

根据本发明的第二方面，提供了包括上述根据本发明第一方面的装置的传感器单元和功率表。

根据本发明的第三方面，提供了一种自调节阻抗桥的测量射频功率的方法，所述方法包括如下步骤：设置桥电路第一支路的可选择阻抗值，以使桥电路第二支路中的传感器器件的阻抗产生偏移，所述第二支路被耦合到桥电路的第一支路，传感器器件的温度与传感器器件的阻抗相关；其中传感器器件具有与其相关联的温度系数；并且可选择阻抗值是这样的值，使得传感器器件的阻抗与没有超过预定温度的传感器器件的温度相对应。

所述方法还包括如下步骤：对射频信号的功率进行第一测量。可以在改变可选择阻抗值之后进行对射频信号的功率的第二测量。

所述温度系数可以是负温度系数。

所述传感器器件可以是测辐射热器件，所述测辐射热器件可以是热敏电阻。

改变可选择阻抗值的步骤可以包括如下步骤：在第一阻抗值和第二阻抗值之间切换可选择阻抗值，以使传感器器件的阻抗产生偏移，和/或所述可选择阻抗值可以由阻抗网络提供。

所述阻抗网络可以包括第一阻抗、第二阻抗和开关；并且所述方法还可以包括如下步骤：将第一阻抗或第二阻抗切换到桥电路的电路内。

所述方法还可以包括如下步骤：提供耦合到所述传感器器件的另一个传感器器件。对于桥电路来说所述传感器器件与所述另一个传感器器件可以如同串联耦合，而当在所述传感器器件与所述另一个传感器器件之间的节点提供射频信号时，所述传感器器件与所述另一个传感器器件可以如同并联耦合。

因此，可以提供一种自平衡阻抗桥电路装置及其方法，其不会使桥电路的一个支路中的一个或多个传感器器件的温度增加到高于与一个或多个传感器器件的不精确操作甚至损坏相关联的预定温度。

附图说明

现在将仅仅以示例的方式并结合附图来描述本发明的至少一个实施例，在附图中：

图1是耦合到测试功率表系统的功率表的示意图；

图2是图1的系统的自调节阻抗桥装置的示意图，并构成了本发明的一个实施例；以及

图3是用于结合图1的系统使用的一种方法的流程图，并构成了本发明的第二实施例。

具体实施方式

参照图1，功率表100被耦合到测试功率表系统102，测试功率表系统102包括传感器单元104、电缆106和测试表单元108。功率表100包括耦合到参考源端口110的功率参考源(未示出)，功率参考源例如为参考源振荡器。在测试条件下，参考源端口110被耦合到传感器单元104上以实现功率表100与测试系统102的耦合，并且传感器单元104通过电缆106被耦合到测试表单元108上。在这个例子中，测试表单元108是安捷伦科技提供的432A表单元，传感器单元104是安捷伦科技提供的478A选择H75或H76传感器单元。测试表单元108和传感器单元104被适当地进行了修改以符合在下文中描述的结构。

参照图2，测试系统102的一部分包括自调节阻抗桥200。技术人员将了解测试表单元108可以包括而且在这个例子中确实包括第二“补偿”自调节桥(未示出)。自调节阻抗桥200包括桥电路202，该桥电路202具有第一热敏电阻204，其第一端耦合到地线205，其第二端耦合到第二热敏电阻206的第一端并通过第一电容器210耦合到射频输入端口208；第一和第二热敏电阻204、206的接合点构成了拓扑节点。第二热敏电阻206的第二端通过第二电容器212也被耦合到地线205，第二热敏电阻206的第二端还被耦合到运算放大器216的非反相端214。第一和第二热敏电阻204、206构成了桥电路202的第一支路。在这个例子中，热敏电阻是由Victory Engineering Corporation制造的33A501/5热敏电阻。

第二热敏电阻206的第二端还被耦合到阻抗网络218的第一端，阻抗网络218的第一端被耦合到第一电阻器220的第一端以及第二电阻器222的第一端，这里，第一电阻器220例如为构成第一可选择阻抗值的200Ω的电阻器，第二电阻器222例如为构成第二可选择阻抗值的400Ω的电阻器。

第一电阻器220的第二端以及第二电阻器222的第二端分别被耦合到双路开关228的第一端224和第二端226。双路开关228的第三端230被耦合到运算放大器216的输出端232和自调节阻抗桥200的输出端234。第一和第二电阻器220、222和双路开关228构成了桥电路202的第二支路。虽然在这个例子中使用了电阻器，但是也可以除第一和第二电阻器220、222之外还使用能够提供阻抗的其他电子元件，或使用能够提供阻抗的其他电子元件来取代第一和第二电阻器220、222。

双路开关228的第三端230还被耦合到第三电阻器236的第一端，第三电阻器236例如为1KΩ的电阻器，第三电阻器236的第二端被耦合到运算放大器216的反相输入端238。第三电阻器236构成了桥电路202的第三支路。

第三电阻器236的第二端还被耦合到第四电阻器240的第一端，第四电阻器240例如为1kΩ的电阻器，第四电阻器240的第二端被耦合到第一热敏电阻204的第一端并因此耦合到地线205。

最后，为了确定从参考源(源)传输到测试系统102(负载)的功率量的不确定性的值U，需要计算源VRC和负载VRC。本领域的技术人员将了解，知道了形成阻抗网络218的第一和第二电阻220和222的值以及第三电阻器236和第四电阻器240的值之后，可以近似得知负载VRC。或者，可以使用传统技术例如使用VNA来测量负载VRC。

因此，为了计算源VRC Γ_S，进行测量是必需的。改变在第二支路中转接到桥电路202中的阻抗值的能力，带来改变第一和第二热敏电阻204、206的阻抗的能力，并由此使得负载VRC Γ_L也被改变。因此，提供了功率被传输到测试功率表108或负载所处的两种不同的条件。

应该理解，第二补偿自调节桥(未示出)也包括相应的第二桥电路(未示出)。第二桥电路的结构与桥电路202的结构相同。

为了理解如何使用上述两种条件，即功率可以被传输到测试功率表系统102所处的两种条件，来计算源VRC Γ_S以及失配不确定性值U，在下面给出了用于计算源VRC Γ_S的数学根据。

基于前面的等式(1)，如果负载VRC可以有两个不同的值Γ₁和Γ₂，并且这两个不同的值分别导致两个不同的功率测量值P₁和P₂(可用功率保持相同)，则等式(1)可以表示如下：

$P_{Z_0}=P_1\frac{{|1-{\mathrm{\Γ}}_S{\mathrm{\Γ}}_1|}^2}{1-{\left|{\mathrm{\Γ}}_1\right|}^2}=P_2\frac{{|1-{\mathrm{\Γ}}_S{\mathrm{\Γ}}_2|}^2}{1-{\left|{\mathrm{\Γ}}_2\right|}^2}---\left(3\right)$

将等式(3)重新整理为：

$\frac{P_1(1-{\left|{\mathrm{\Γ}}_2\right|}^2)}{P_2(1-{\left|{\mathrm{\Γ}}_1\right|}^2)}=\frac{{|1-{\mathrm{\Γ}}_S{\mathrm{\Γ}}_2|}^2}{{|1-{\mathrm{\Γ}}_S{\mathrm{\Γ}}_1|}^2}---\left(4\right)$

假设可以计算或测量P₁、P₂、Γ₁、Γ₂，则等式(4)的左侧可以用因数M代替，则得到：

$\sqrt{M}=\frac{|1-{\mathrm{\Γ}}_S{\mathrm{\Γ}}_2|}{|1-{\mathrm{\Γ}}_S{\mathrm{\Γ}}_1|}---\left(5\right)$

虽然不能直接解等式(5)来得到源VRC Γ_S，因为源VRC Γ_S是复数量，但是使用负载VRC Γ_L的两个值的近似解为：

$\left|{\mathrm{\Γ}}_S\right|=\frac{\left(2\right|{\mathrm{\Γ}}_1|M-2|{\mathrm{\Γ}}_2\left|\right)\±\sqrt{{\left(2\right|{\mathrm{\Γ}}_2|-2|{\mathrm{\Γ}}_1\left|M\right)}^2-4({\left|{\mathrm{\Γ}}_1\right|}^{2}M-{\left|{\mathrm{\Γ}}_2\right|}^2)(M-1)}}{2({\left|{\mathrm{\Γ}}_1\right|}^{2}M-{\left|{\mathrm{\Γ}}_2\right|}^2)}---\left(6\right)$

如果参考源的相位角θ在下列范围内，即-40°≤θ≤40°、140°≤θ≤180°或者-180°≤θ≤-140°范围内，则使用上面的等式(6)，就可以得到源VRC Γ_S的足够精确的结果。因此，为了能够计算源VRC Γ_S，要进行下面的测量步骤。

在操作中，传感器单元104被耦合到参考源端口110和功率表100，并给测试系统102加电(步骤300)。然后，将测试表单元108的开关230设置为第一阻抗值，或者使用者验证开关230已经被设置为第一阻抗值(步骤302)，在这个例子中，第一阻抗值为200Ω。然后由使用者记录(步骤304)测试表单元108的读数。然后使用者将开关230设置为第二阻抗值(步骤306)，在这个例子中为400Ω，并由使用者再次记录(步骤308)测试表单元108的读数。基本上在开关230被操纵的同时，第二补偿桥电路的相应开关(未示出)也被操纵。

阻抗网络218以及第一和第二热敏电阻204、206是自调节阻抗桥200的一部分，因此，在桥电路202的第二支路中，通过操纵双路开关230实现的第二电阻器222对第一电阻器220的有效替换，将使得由第一和第二热敏电阻组合204、206提供的阻抗值产生偏移。同时，直流时，第一和第二热敏电阻204、206如同串连耦合，而在射频下，第一和第二热敏电阻204、206如同并联耦合，因此，阻抗值的偏移近似在射频下的50Ω到射频下的100Ω之间。

假设在这个例子中第一和第二热敏电阻204、206具有负温度系数，那么第一和第二热敏电阻204、206阻抗的增加不会导致第一和第二热敏电阻204、206随之发生温度的升高，而如果第二电阻器222被估值为小于第一电阻器220的值，则将发生温度的升高。因此，避免了第一和/或第二热敏电阻204、206超过对应于第一和/或第二热敏电阻204、206的损坏或不精确操作的预定温度的非期望发热。

一旦知道了源和负载的VRC Γ_L和Γ_S，就可以根据等式(2)计算(步骤312)不确定性值U。

虽然在一个或多个热敏电阻的情况下描述了上述例子，但是应该了解，其他传感器器件，例如其他类型的测辐射热(bolometric)器件，可以被用来代替所述一个或多个热敏电阻或者与所述一个或多个热敏电阻结合使用，其中，根据传感器器件的温度系数，将避免传感器器件高于或者甚至低于预定温度阈值的发热。此外，技术人员将理解，这里隐含或明确提到的自调节阻抗桥(和第二补偿自调节阻抗桥)的DC操作，没有排除使用具有高于DC的更高频率的信号对这些桥的操作，例如，更高频率的信号为10KHz的音频信号。在这种情况下，应该认为谈到电阻就是谈到阻抗。

Claims (19)

1.一种用于测量射频功率的自平衡阻抗桥电路装置，该装置包括：

桥电路，所述桥电路包括连接到其第二支路的第一支路；其中

所述第一支路包括传感器器件，该传感器器件具有阻抗值和与其相关联的温度系数，所述传感器器件的温度与所述阻抗值相关；

所述第二支路包括至少一个能够提供可选择阻抗值的电子元件，当在使用时，所述可选择阻抗值使所述传感器器件的阻抗值产生偏移；并且

所述可选择阻抗值是这样的值，使得所述的传感器器件的阻抗值与没有超过预定温度的传感器器件的温度相对应。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述温度系数是负温度系数。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述传感器器件是测辐射热器件。

4.如权利要求3所述的装置，其中，所述测辐射热器件是热敏电阻。

5.如权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个能够提供可选择阻抗值的电子元件是可切换的。

6.如权利要求5所述的装置，其中，所述至少一个能够提供可选择阻抗值的电子元件是阻抗网络。

7.如权利要求6所述的装置，其中，所述阻抗网络包括第一阻抗、第二阻抗以及开关，该开关用于将所述第一阻抗或第二阻抗连接到所述桥电路的电路内。

8.如权利要求1所述的装置，还包括耦合到所述传感器器件的另一个传感器器件。

9.如权利要求8所述的装置，其中，对于所述桥电路来说所述传感器器件如同串联耦合到所述另一个传感器器件，并且，当在所述传感器器件和所述另一个传感器器件之间的节点提供射频信号时，所述传感器器件如同并联耦合到所述另一个传感器器件。

10.如权利要求1所述的装置，其中，所述桥电路还包括：

第三支路，所述第三支路耦合到第四支路，所述第三和第四支路包含基本上相同的阻抗；并且

所述第三支路被耦合到所述第二支路，所述第四支路被耦合到所述第一支路。

11.一种自调节阻抗桥的测量射频功率的方法，所述方法包括如下步骤：

设置桥电路第一支路的可选择阻抗值，以使所述桥电路第二支路中的传感器器件的阻抗产生偏移，所述第二支路被耦合到所述桥电路的第一支路，所述传感器器件的温度与所述传感器器件的阻抗相关；其中

所述传感器器件具有与其相关联的温度系数；并且

可选择阻抗值是这样的值，使得所述传感器器件的阻抗与没有超过预定温度的传感器器件的温度相对应。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述温度系数是负温度系数。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述传感器器件是测辐射热器件。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述测辐射热器件是热敏电阻。

15.如权利要求11所述的方法，其中，改变可选择阻抗值的步骤包括如下步骤：

在第一阻抗值和第二阻抗值之间切换所述可选择阻抗值，以使传感器器件的阻抗产生偏移。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述可选择阻抗值由阻抗网络提供。

17.如权利要求16所述的方法，其中，所述阻抗网络包括第一阻抗、第二阻抗和开关；并且所述方法还包括如下步骤：

将第一阻抗或第二阻抗切换到桥电路的电路内。

18.如权利要求11所述的方法，还包括如下步骤：

提供耦合到所述传感器器件的另一个传感器器件。

19.如权利要求18所述的方法，其中，对于桥电路来说所述传感器器件与所述另一个传感器器件如同串联耦合，而当在所述传感器器件与所述另一个传感器器件之间的节点提供射频信号时，所述传感器器件与所述另一个传感器器件则如同并联耦合。