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翻譯:高小強(qiáng)
本文中,我們將討論峰值功率傳感和平均功率傳感之間的區(qū)別,并簡略介紹一些不同類型的傳感。同時(shí),將更進(jìn)一步地介紹傳感的檢測(cè)過程,并提供什么傳感可能更適宜您的應(yīng)用的一些建議。
傳感技術(shù)
現(xiàn)今市場(chǎng)上有各類各樣的功率傳感,每種功率傳感具有不同的功能和特點(diǎn)。并且,這種功率傳感的技術(shù)核心都是使用以下三種技術(shù)之一:熱傳感、二極管傳感、或接收機(jī)(或剖析儀)。每種技術(shù)都有其固有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),為此,不僅頻度/動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)以外,更應(yīng)當(dāng)通過其他參數(shù)來選擇所須要的傳感類型。首先,剖析下不同技術(shù)之間的差別,以更好地了解不同傳感器器的工作。
熱傳感
現(xiàn)今市場(chǎng)上有兩種常見的熱傳感構(gòu)架:測(cè)熱(或熱敏內(nèi)阻)傳感和熱電偶傳感。熱敏傳感一般基于惠斯通電橋,該結(jié)構(gòu)包含一個(gè)熱敏內(nèi)阻作為主要器件之一(如圖1所示)。
圖1:熱功率傳感構(gòu)架示例
當(dāng)射頻訊號(hào)步入到熱敏內(nèi)阻時(shí),其氣溫因而內(nèi)阻就會(huì)改變。之后反饋支路會(huì)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(非常是減少)與施加到熱敏內(nèi)阻的射頻功率直接相關(guān),因而可以進(jìn)行確切的功率檢測(cè)。這些關(guān)系稱為DC代替。在現(xiàn)今大多數(shù)基于熱敏內(nèi)阻的傳感中,都有第二個(gè)熱敏內(nèi)阻來測(cè)量并補(bǔ)償環(huán)境濕度的變化。幅射計(jì)傳感是最早可用的功率傳感之一。它們具有所有常見傳感類型中最好的線性度,這使其在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中成為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。并且,它們?cè)诔R姷膫鞲兄校瑒?dòng)態(tài)范圍(有時(shí)只有-20dBm至+10dBm)卻是最低的,而且很容易破損,其連續(xù)波毀壞功率僅約為+20dBm。
第二類熱傳感,即熱電偶傳感,其主要原理為:湯姆森效應(yīng)和珀?duì)柼?yīng)。珀?duì)柼l(fā)覺功率串聯(lián)和并聯(lián)的算法,異種金屬結(jié)可以依據(jù)通過它們的方向電壓而被加熱或冷卻。湯姆森則發(fā)覺,只要存在室溫差,單個(gè)導(dǎo)體內(nèi)都會(huì)形成電磁場(chǎng)。湯姆森效應(yīng)和珀?duì)柼?yīng)一起被稱為塞貝克效應(yīng),它成為了現(xiàn)代熱電偶檢測(cè)器件的基本化學(xué)模型。
圖2:熱敏內(nèi)阻功率傳感構(gòu)架示例
這些技巧的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電流變化和功率變化之間的線性關(guān)系十分好,這都會(huì)得到高精度的功率值。其次,熱電偶器件一般具有良好的抗ESD或其他瞬態(tài)燒毀的能力。最后,熱電偶濾波器可以檢測(cè)RMS功率,并且與調(diào)制方法無關(guān)。這將滿足幾乎任何訊號(hào)類型的平均功率檢測(cè)需求,而且這也會(huì)帶來些缺點(diǎn)。
氣溫變化和相應(yīng)的電流變化在檢測(cè)之前須要一定的構(gòu)建時(shí)間。所以熱電偶傳感的檢測(cè)速率比其他傳感慢得多。它們的上升時(shí)間在微秒范圍內(nèi),因而不適宜檢測(cè)峰值或脈沖功率。熱電偶傳感還具有較高的本底噪音,在實(shí)際檢測(cè)中,動(dòng)態(tài)范圍一般被限制在約-30dBm或-35dBm至+20dBm。
晶閘管傳感
功率傳感中第二種常見類型是基于晶閘管的傳感。基本構(gòu)架十分簡單:將相應(yīng)RF訊號(hào)輸入到負(fù)載內(nèi)阻(一般為50Ω匹配內(nèi)阻),該負(fù)載內(nèi)阻與三極管串聯(lián)且與電容器并聯(lián)。隨著功率上升,晶閘管控制電容兩端的電壓/電流,之后將其讀取并轉(zhuǎn)換為功率讀數(shù)。
圖3:晶閘管功率傳感構(gòu)架示例
內(nèi)阻兩端的功率與電容兩端的電流之間的關(guān)系,可以分為三個(gè)不同的區(qū)間:
圖4:晶閘管檢查器輸出對(duì)輸入功率的響應(yīng)
在研究晶閘管傳感時(shí),一般會(huì)聽到的一個(gè)術(shù)語是“真均方根值(true-RMS)”。該術(shù)語是指,傳感獲取的所有功率檢測(cè)值均取自晶閘管平方律區(qū)的讀數(shù)。僅使用一個(gè)三極管,傳感的動(dòng)態(tài)范圍將高于-20dBm,這對(duì)于許多RF訊號(hào)來說是不夠的。須要檢測(cè)較高功率訊號(hào)的用戶可以在RF訊號(hào)和傳感之間放置一個(gè)衰減器,并且額外的衰減器會(huì)引入失配不確定和與其他頻度相關(guān)的特點(diǎn),這就會(huì)對(duì)功率檢測(cè)的確切性形成負(fù)面影響。
為了才能在更寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)進(jìn)行真均方根(RMS)檢測(cè),許多廠家早已開發(fā)了兩路或三路晶閘管傳感構(gòu)架,這些構(gòu)架的傳感才能將高功率訊號(hào)保持在晶閘管的平方律區(qū)。這樣的傳感通過將訊號(hào)分為兩路或三路來實(shí)現(xiàn),每位路徑都有一個(gè)外置了衰減器的晶閘管。
圖5:三路徑晶閘管功率傳感的示意圖
通過將衰減器外置到電路中,設(shè)計(jì)人員才能最大程度地降低失配,并對(duì)任何線性誤差進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償。結(jié)果是所有訊號(hào)步入正確的晶閘管路徑,以使其保持在晶閘管的平方律區(qū)內(nèi),因而檢測(cè)得到真均方根值,與調(diào)制無關(guān)的平均功率讀數(shù)。
圖6:三路徑晶閘管檢測(cè)范圍示例
不僅三路徑傳感之外,還有CW晶閘管傳感或峰值/脈沖晶閘管傳感。連續(xù)波傳感使用單路徑晶閘管構(gòu)架,其算法可處理不同晶閘管區(qū)的功率關(guān)系。峰值功率傳感須要寬帶接收機(jī),以捕獲訊號(hào)中的快速變化。但這也接收到了更多的噪音,動(dòng)態(tài)范圍被限制在-30dBm左右。
與須要一些構(gòu)建時(shí)間反應(yīng)熱量變化的熱電偶傳感不同,晶閘管幾乎可以立刻對(duì)輸入電流的任何變化作出反應(yīng)。所以晶閘管傳感的檢測(cè)速率基本上僅受傳感處理數(shù)據(jù)能力的限制。現(xiàn)今具有更好處理技術(shù)的新型傳感功率串聯(lián)和并聯(lián)的算法,可以做到每秒檢測(cè)速率達(dá)數(shù)千和數(shù)萬次。晶閘管傳感的精度也相當(dāng)好,但一般不如熱傳感好。選擇熱傳感取代晶閘管的主要誘因是須要更高的精度(如上述校正示例所示)。
接收機(jī)
最后一種功率檢測(cè)技術(shù)是無線接收機(jī),但功率檢測(cè)一般不是這項(xiàng)技術(shù)的主要功能。通常只能在更高昂的設(shè)備(比如頻譜剖析儀)中集成了該項(xiàng)功能。值得一提是,這種接收機(jī)可以為工程師和測(cè)試人員提供市場(chǎng)上任何功率傳感都未能提供的優(yōu)勢(shì)。
首先,與大多數(shù)在頻域中工作的功率傳感相反,無線接收機(jī)進(jìn)行的是基頻的檢測(cè)。這意味著可以將接收機(jī)調(diào)整為僅檢測(cè)用戶定義頻度范圍內(nèi)的功率。熱傳感和晶閘管傳感是寬帶的,因而它們將包含來自任何頻度的功率,包括紋波或其他無關(guān)訊號(hào)。而無線接收機(jī)可以從最終功率檢測(cè)中濾除這些不須要的訊號(hào)。
與典型的熱傳感或晶閘管傳感相比,無線接收機(jī)的本底噪音也低得多,因而它們可以檢測(cè)低得多的訊號(hào)功率。現(xiàn)今市場(chǎng)上最好的傳感的檢測(cè)范圍為-70dBm。接近本底噪音的訊號(hào)須要大量平均能夠獲得穩(wěn)定的讀數(shù),雖然這么,不確定性也會(huì)上升。而接收機(jī)的本底噪音可能遠(yuǎn)高于-,因而這就能否找到并檢測(cè)許多永遠(yuǎn)不會(huì)在熱傳感或晶閘管傳感上記錄的訊號(hào)。
無線接收機(jī)的主要缺點(diǎn)(不僅頻譜剖析儀的高價(jià)外)是整體精度。無線接收機(jī)的檢測(cè)不確定度可能小于±2dB。可調(diào)性和較低的本底噪音可以幫助填補(bǔ)這一缺點(diǎn)(如上述情況),并且在受控的實(shí)驗(yàn)室情況下,精確檢測(cè)功率還是最好采用熱敏或晶閘管傳感。接收機(jī)最適宜于生產(chǎn)線中的簡單驗(yàn)證測(cè)試(所謂的“開/關(guān)”測(cè)試)或傳輸系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,比如無線返程或分布式天線系統(tǒng)(DAS)。
傳感的應(yīng)用選擇
考慮所有這種信息后,怎樣選擇合適的功率傳感?這取決于:首先,問問自己須要完成哪些測(cè)試,您是否正在為新產(chǎn)品進(jìn)行精確功率校正?這么精度可能是最重要的,而熱傳感則是您的最佳選擇。其實(shí)您正在對(duì)成品進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè),檢測(cè)速率和功率檢測(cè)范圍是您的最大需求。在這些情況下,晶閘管傳感甚至接收機(jī)可能是最好的選擇。想了解安立公司的功率傳感系列產(chǎn)品,請(qǐng)點(diǎn)擊最下方閱讀原文。