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如何选择功率传感器


  来源: 安立通讯科技Anritsu 时间:2021-01-21 编辑:清风
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本文中,我们将讨论峰值功率传感器和平均功率传感器之间的区别,并简要介绍一些不同类型的传感器。同时,将更进一步地介绍传感器的测量过程,并提供哪些传感器可能更适合您的应用的一些建议。


传感器技术


当今市场上有各种各样的功率传感器,每种功率传感器具有不同的功能和特性。但是,这些功率传感器的技术核心都是使用以下三种技术之一:热传感器、二极管传感器、或接收机(或分析仪)。每种技术都有其固有的优点和缺点,因此,除了频率/动态范围指标以外,更应该通过其他参数来选择所需要的传感器类型。首先,分析下不同技术之间的差异,以更好地了解不同传感器的工作。


热传感器


当今市场上有两种常见的热传感器架构:测热(或热敏电阻)传感器和热电偶传感器。热敏传感器通常基于惠斯通电桥,该结构包含一个热敏电阻作为主要元件之一(如图1所示)。


图1:热功率传感器架构示例


当射频信号进入到热敏电阻时,其温度进而电阻都会改变。然后反馈环路会调整传递到电桥的直流功率电平,以保持平衡。直流功率的变化(特别是减小)与施加到热敏电阻的射频功率直接相关,因此可以进行准确的功率测量。这种关系称为DC替代。在当今大多数基于热敏电阻的传感器中,都有第二个热敏电阻来检测并补偿环境温度的变化。辐射计传感器是最早可用的功率传感器之一。它们具有所有常见传感器类型中最好的线性度,这使其在标准实验室中成为计量标准。但是,它们在常见的传感器中,动态范围(有时只有-20dBm至+10dBm)却是最低的,并且很容易损坏,其连续波烧毁功率仅约为+20dBm。


第二类热传感器,即热电偶传感器,其主要原理为:汤姆森效应和珀尔帖效应。珀尔帖发现,异种金属结可以根据通过它们的方向电流而被加热或冷却。汤姆森则发现,只要存在温度差,单个导体内就会产生电磁场。汤姆森效应和珀尔帖效应一起被称为塞贝克效应,它成为了现代热电偶检测元件的基本物理模型。


图2:热敏电阻功率传感器架构示例


这种方法的第一个优点是电压变化和功率变化之间的线性关系非常好,这就会得到高精度的功率值。其次,热电偶元件通常具有良好的抗ESD或其他瞬态烧坏的能力。最后,热电偶检波器可以测量RMS功率,而且与调制方式无关。这将满足几乎任何信号类型的平均功率测量需求,但是这也会带来些缺点。


温度变化和相应的电压变化在测量之前需要一定的建立时间。所以热电偶传感器的测量速度比其他传感器慢得多。它们的上升时间在毫秒范围内,因此不适合测量峰值或脉冲功率。热电偶传感器还具有较高的本底噪声,在实际测量中,动态范围通常被限制在约-30dBm或-35dBm至+20dBm。


二极管传感器


功率传感器中第二种常见类型是基于二极管的传感器。基本架构非常简单:将相应RF信号输入到负载电阻(通常为50Ω匹配电阻),该负载电阻与二极管串联且与电容器并联。随着功率上升,二极管控制电容两端的电流/电压,然后将其读取并转换为功率读数。


图3:二极管功率传感器架构示例


电阻两端的功率与电容两端的电压之间的关系,可以分为三个不同的区间:

平方律区——对于低于-20dBm的信号,电路的直流输出电压大小与射频电压的平方成正比。二极管平方律区中的功率测量值具有良好的线性关系,并且与调制无关。


线性区——高于大约0dBm且高达大约+20dBm,直流输出电压与峰值RF电压成比例关系。在这个区域中,二极管的作用就像一个大信号整流器,将电容充电至峰值RF电压。峰值传感器通常将在该区域工作,以测量RF信号的峰值包络功率。


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