功率探头的原理及选型

  具有以下特点：数字化，小型化;探头完成所有测试功能，和测试数据的采集;无需主机，可以由包括手机在内的具有操作系统的设备做探头控制和数据分析。

  针对不同的测试目的和任务，如何选用合适的功率探头，是摆在每个射频工程师面前的问题。

  从探头采用的技术类型划分，可分为两大类：热电探头和二极管探头。热电探头又分为热敏、热偶和热电堆三个类别;二极管探头又分为单通道、多通道和宽带(峰值)几个类别。

  从应用场合看，热电探头小功率(1mW左右)测试准确度高，功率测试动态范围小，适合射频微波信号平均功率的计量校准;二极管探头功率测量动态范围大，速度快，适合研发测试和工程应用。

  热敏功率探头采用热敏电阻作为核心元部件，输入信号经过热敏电阻的功率被其吸收后温度上升，电阻值发生显著变化，利用电桥测量电阻值的变化，显示功率值。

  热偶功率探头的核心部件是热电偶。将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生温差电势，电势的大小正比于吸收的高频功率值，这种现象称为热电效应，又称为塞贝克(Seebeck)效应。利用热电偶型功率计中的热偶结直接吸收高频信号功率，热结点温度上升，产生温差电势，电势的大小正比于吸收的射频功率值，进行功率测量。

  为了提高热电偶的灵敏度，可将多个热电偶串联起来组成热电堆;热电堆的输出电压(输出温差电动势)是多个热电偶的输出电压之和。

  综合考虑测试频率范围、功率范围和准确度，热电堆是目前最佳热电功率探头技术。

  二极管功率探头采用半导体二极管作为核心元部件，采用平方率检波，获得功率值。所谓平方率检波，就是在小信号范围(-70dBm~-13dBm)，肖特基(schottky)二极管输出电压正比于输入功率，或者说正比于输入电压幅度的平方，通过输出电压的测量，得出功率测量值。

  单通道二极管的功率测试范围不够高，现代智能探头一般都会采用多通道方式。通常增设两路不同前端衰减器的通道，与不加衰减器的通道并行测量，对一组三通道测试数据进行智能判断和修正。通过这种方法，能轻松实现大动态范围(-70dBm~+23dBm)功率的准确测量。

  上述智能探头采用不一样的视频滤波器(低通)，获得更佳灵敏度和动态范围。对于特殊测试应用，如峰值功率测量，采用宽带视频滤波器(如30MHz)，从而获得更快的响应速度，能够测试更窄的脉冲，获得连续的脉冲信号功率变化曲线，进而分析实时功率值。

  功率探头的作用是获得准确的功率测量值，每个探头必须有精确的校准数据。现代功率探头的校准数据一般内置在探头内置存储器中。功率探头的校准数据，即包括入射功率的修正，也包括驻波反射修正。

  功率探头的输入端连接输入被测信号，输出端直接是测试数据(测量值)，数据修正是在测量中自动完成的。

  现代功率探头在测量前无需外置源校准，因为探头内部有参考源和参考温度，“调零”过程就包含了以前的测量前校准过程。

  为了保证测量准确度，功率探头需要送到计量单位溯源和校准，如果计量单位给出的修正数据与功率探头原有数据偏差，在测量不确定度范围以内，则此探头通过校准，无需修改数据。

  如果计量单位采用原厂功率标准，例如RS NRPC，计量RS功率探头，那么计量过程能轻松实现真正的“校准”，可以自动擦写探头内部修正数据，误差归零;当然，如果用NRPC计量其他公司探头，仅能完成“计量”过程，给出误差而不能擦写内置数据。

  兼顾测试准确度和测量动态范围(-70dBm~+23dBm)，通用功率探头是二极管(智能多通道)探头。

  小功率信号(-10~+10dBm)的计量校准，选用热电堆功率探头，具有最佳测量不确定度。

  另外，如果功率范围在(-35dBm~+20dBm)，并且只需要测量信号的平均功率，热电堆功率探头也是最佳选择。

  脉冲调制信号，一般会用峰值功率探头测试，也就是宽带二极管(智能多通道)探头。其视频带宽决定其窄脉冲测试能力。

  下图(左)：单路信号脉冲功率测试;下图(右)：两路信号脉冲功率测试，可分辨两路脉冲相对时间关系。

  在大功率(可能高达几十kW)测试场合，常常要外接衰减器或定向耦合器。目前较先进的功率探头能够直接进行S参数修正，也就是把外接装置的全频段S参数内置在功率探头，实现每个频点的测试值自动修正。

  功率探头内置参数修正，导入外部衰减器S参数数据，进行大功率信号精确功率测试：

  现代功率探头能完成所有测量功率，并发送出测量数值。数据传输接口可以是专用主机接口，也可以是通用USB接口或网口。因此，除了功率计仪器，可使用其它带有操作系统的设备，如电脑、其它仪器甚至手机。如果采用网口，可以用电脑通过TCP/IP协议远程访问功率探头。