本文中，我們將討論峰值功率傳感器和平均功率傳感器之間的區(qū)別，并簡要介紹一些不同類型的傳感器。同時，將更進一步地介紹傳感器的測量過程，并提供哪些傳感器可能更適合您的應(yīng)用的一些建議。

傳感器技術(shù)

當今市場上有各種各樣的功率傳感器，每種功率傳感器具有不同的功能和特性。但是，這些功率傳感器的技術(shù)核心都是使用以下三種技術(shù)之一：熱傳感器、二極管傳感器、或接收機(或分析儀)。每種技術(shù)都有其固有的優(yōu)點和缺點，因此，除了頻率/動態(tài)范圍指標以外，更應(yīng)該通過其他參數(shù)來選擇所需要的傳感器類型。首先，分析下不同技術(shù)之間的差異，以更好地了解不同傳感器的工作。

熱傳感器

當今市場上有兩種常見的熱傳感器架構(gòu)：測熱(或熱敏電阻)傳感器和熱電偶傳感器。熱敏傳感器通?；诨菟雇姌?，該結(jié)構(gòu)包含一個熱敏電阻作為主要元件之一(如圖1所示)。

圖1：熱功率傳感器架構(gòu)示例

當射頻信號進入到熱敏電阻時，其溫度進而電阻都會改變。然后反饋環(huán)路會調(diào)整傳遞到電橋的直流功率電平，以保持平衡。直流功率的變化(特別是減小)與施加到熱敏電阻的射頻功率直接相關(guān)，因此可以進行準確的功率測量。這種關(guān)系稱為DC替代。在當今大多數(shù)基于熱敏電阻的傳感器中，都有第二個熱敏電阻來檢測并補償環(huán)境溫度的變化。輻射計傳感器是最早可用的功率傳感器之一。它們具有所有常見傳感器類型中最好的線性度，這使其在標準實驗室中成為計量標準。但是，它們在常見的傳感器中，動態(tài)范圍(有時只有-20dBm至+10dBm)卻是最低的，并且很容易損壞，其連續(xù)波燒毀功率僅約為+20dBm。

第二類熱傳感器，即熱電偶傳感器，其主要原理為：湯姆森效應(yīng)和珀爾帖效應(yīng)。珀爾帖發(fā)現(xiàn)，異種金屬結(jié)可以根據(jù)通過它們的方向電流而被加熱或冷卻。湯姆森則發(fā)現(xiàn)，只要存在溫度差，單個導體內(nèi)就會產(chǎn)生電磁場。湯姆森效應(yīng)和珀爾帖效應(yīng)一起被稱為塞貝克效應(yīng)，它成為了現(xiàn)代熱電偶檢測元件的基本物理模型。

圖2：熱敏電阻功率傳感器架構(gòu)示例

這種方法的第一個優(yōu)點是電壓變化和功率變化之間的線性關(guān)系非常好，這就會得到高精度的功率值。其次，熱電偶元件通常具有良好的抗ESD或其他瞬態(tài)燒壞的能力。最后，熱電偶檢波器可以測量RMS功率，而且與調(diào)制方式無關(guān)。這將滿足幾乎任何信號類型的平均功率測量需求，但是這也會帶來些缺點。

溫度變化和相應(yīng)的電壓變化在測量之前需要一定的建立時間。所以熱電偶傳感器的測量速度比其他傳感器慢得多。它們的上升時間在毫秒范圍內(nèi)，因此不適合測量峰值或脈沖功率。熱電偶傳感器還具有較高的本底噪聲，在實際測量中，動態(tài)范圍通常被限制在約-30dBm或-35dBm至+20dBm。

二極管傳感器

功率傳感器中第二種常見類型是基于二極管的傳感器?；炯軜?gòu)非常簡單：將相應(yīng)RF信號輸入到負載電阻(通常為50Ω匹配電阻)，該負載電阻與二極管串聯(lián)且與電容器并聯(lián)。隨著功率上升，二極管控制電容兩端的電流/電壓，然后將其讀取并轉(zhuǎn)換為功率讀數(shù)。

圖3：二極管功率傳感器架構(gòu)示例

電阻兩端的功率與電容兩端的電壓之間的關(guān)系，可以分為三個不同的區(qū)間：

平方律區(qū)——對于低于-20dBm的信號，電路的直流輸出電壓大小與射頻電壓的平方成正比。二極管平方律區(qū)中的功率測量值具有良好的線性關(guān)系，并且與調(diào)制無關(guān)。

線性區(qū)——高于大約0dBm且高達大約+20dBm，直流輸出電壓與峰值RF電壓成比例關(guān)系。在這個區(qū)域中，二極管的作用就像一個大信號整流器，將電容充電至峰值RF電壓。峰值傳感器通常將在該區(qū)域工作，以測量RF信號的峰值包絡(luò)功率。

過渡區(qū)——平方律區(qū)和線性區(qū)(約-20dBm至0dBm)之間的區(qū)域稱為過渡區(qū)。在該區(qū)域中，準確的功率測量結(jié)果依賴于精準的校準和測量操作。

圖4：二極管檢測器輸出對輸入功率的響應(yīng)

在研究二極管傳感器時，通常會看到的一個術(shù)語是“真均方根值(true-RMS)”。該術(shù)語是指，傳感器獲取的所有功率測量值均取自二極管平方律區(qū)的讀數(shù)。僅使用一個二極管，傳感器的動態(tài)范圍將低于-20dBm，這對于許多RF信號來說是不夠的。需要測量較高功率信號的用戶可以在RF信號和傳感器之間放置一個衰減器，但是額外的衰減器會引入失配不確定和與其他頻率相關(guān)的特性，這都會對功率測量的準確性產(chǎn)生負面影響。

為了能夠在更寬的動態(tài)范圍內(nèi)進行真均方根(RMS)測量，許多廠家已經(jīng)開發(fā)了兩路或三路二極管傳感器架構(gòu)，這種架構(gòu)的傳感器能夠?qū)⒏吖β市盘柋３衷诙O管的平方律區(qū)。這樣的傳感器通過將信號分為兩路或三路來實現(xiàn)，每個路徑都有一個內(nèi)置了衰減器的二極管。

圖5：三路徑二極管功率傳感器的示意圖

通過將衰減器內(nèi)置到電路中，設(shè)計人員能夠最大程度地減少失配，并對任何線性偏差進行預(yù)補償。結(jié)果是所有信號進入正確的二極管路徑，以使其保持在二極管的平方律區(qū)內(nèi)，從而測量得到真均方根值，與調(diào)制無關(guān)的平均功率讀數(shù)。

圖6：三路徑二極管測量范圍示例

除了三路徑傳感器之外，還有CW二極管傳感器或峰值/脈沖二極管傳感器。連續(xù)波傳感器使用單路徑二極管架構(gòu)，其算法可處理不同二極管區(qū)的功率關(guān)系。峰值功率傳感器需要寬帶接收機，以捕獲信號中的快速變化。但這也接收到了更多的噪聲，動態(tài)范圍被限制在-30dBm左右。

與需要一些建立時間反應(yīng)熱量變化的熱電偶傳感器不同，二極管幾乎可以立即對輸入電壓的任何變化做出反應(yīng)。所以二極管傳感器的測量速度基本上僅受傳感器處理數(shù)據(jù)能力的限制。當今具有更好處理技術(shù)的新型傳感器，可以做到每秒測量速度達數(shù)千和數(shù)萬次。二極管傳感器的精度也相當好，但通常不如熱傳感器好。選擇熱傳感器代替二極管的主要原因是需要更高的精度(如上述校準示例所示)。

接收機

最后一種功率測量技術(shù)是無線接收機，但功率測量通常不是這項技術(shù)的主要功能。一般只能在更昂貴的設(shè)備(例如頻譜分析儀)中集成了該項功能。值得一提是，這些接收機可以為工程師和測試人員提供市場上任何功率傳感器都無法提供的優(yōu)勢。

首先，與大多數(shù)在時域中工作的功率傳感器相反，無線接收機進行的是頻域的測量。這意味著可以將接收機調(diào)整為僅測量用戶定義頻率范圍內(nèi)的功率。熱傳感器和二極管傳感器是寬帶的，因此它們將包含來自任何頻率的功率，包括諧波或其他無關(guān)信號。而無線接收機可以從最終功率測量中濾除那些不需要的信號。

與典型的熱傳感器或二極管傳感器相比，無線接收機的本底噪聲也低得多，因此它們可以測量低得多的信號功率。當今市場上最好的傳感器的測量范圍為-70dBm。接近本底噪聲的信號需要大量平均才能獲得穩(wěn)定的讀數(shù)，即使如此，不確定性也會上升。而接收機的本底噪聲可能遠低于-100dBm，因此這就能夠找到并測量許多永遠不會在熱傳感器或二極管傳感器上記錄的信號。

無線接收機的主要缺點(除了頻譜分析儀的高價外)是整體精度。無線接收機的測量不確定度可能大于±2dB?？烧{(diào)性和較低的本底噪聲可以幫助彌補這一缺點(如上述情況)，但是在受控的實驗室情況下，精確測量功率還是最好采用熱敏或二極管傳感器。接收機最適合于生產(chǎn)線中的簡單驗證測試(所謂的“開/關(guān)”測試)或傳輸系統(tǒng)的現(xiàn)場測試，例如無線回程或分布式天線系統(tǒng)(DAS)。

傳感器的應(yīng)用選擇

考慮所有這些信息后，如何選擇合適的功率傳感器？這取決于：首先，問問自己需要完成什么測試，您是否正在為新產(chǎn)品進行精確功率校準？那么精度可能是最重要的，而熱傳感器則是您的最佳選擇。也許您正在對成品進行質(zhì)量檢查，測量速度和功率測量范圍是您的最大需求。在這種情況下，二極管傳感器甚至接收機可能是最好的選擇。

作者：Russel Lindsay, Anritsu Company

翻譯：高小強